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作为一种有着巨大应用潜能的短波长光电材料,氧化锌(ZnO)在过去的十年里掀起了人们的研究热潮。同时,由于纳米科技的兴起,氧化锌纳米材料也成了目前氧化锌研究中的热点之一。不同的制备方法,包括化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、分子束外延法、溶液法等纷纷被用于氧化锌纳米材料的制备。各种形貌的ZnO纳米结构,例如纳米线、纳米棒、纳米带、纳米弹簧也不断被制备出来。虽然已经有大量的工作试图揭示氧化锌纳米结构的生长机制,然而到目前为止,不同形貌的ZnO纳米结构的生长过程和生长机制尚不明确。这其中最主要的原因是人们往往是通过形貌推测生长的过程以及生长的机理,缺乏直接的实验证据。因此,原位观察并记录ZnO纳米结构的生长过程,将有利于我们更好的解释不同纳米结构的形成过程,并为不同形貌的ZnO纳米结构的生长机制提供直接的实验证据。 本论文以ZnO纳米材料为研究对象,利用环境扫描电子显微镜中的原位手段较为深入的研究了ZnO纳米结构的生长机理,真实的呈现了在不同生长条件下不同形貌的ZnO纳米结构的生长过程,系统分析了生长过程中过饱和度以及衬底对ZnO纳米结构的成核、生长的影响。论文主要结果如下: 1.在环境扫描电子显微镜中实现了ZnO纳米结构在锌膜上的原位生长,并发现ZnO纳米结构的生长很大程度的依赖于生长温度和生长时间,较低的温度(500℃)和较短的生长时间(小于20分钟)有助于一维纳米线的生长,而高的生长温度(700℃)或长的生长时间(大于40分钟)更有利于准二维ZnO纳米片的生长。我们通过原位观察生长过程中锌膜表面形貌的变化,并分析生长过后锌膜表面氧化层的厚度发现生长温度和生长时间直接影响着锌膜表面的裂痕的愈合以及表面氧化层的厚度,从而直接影响到生长过程中的ZnO的过饱和度,导致了不同形貌的ZnO纳米结构的生长。利用原位的手段,我们非常直观的呈现了ZnO纳米结构的生长过程,对于解释气‐固模式下生长的纳米材料的生长机理提供了直观、可信的实验证据。 2.为了避免锌膜在生长过程中被氧化,我们对锌膜进行了退火处理,利用能量色散谱、X-射线衍射仪以及光致发光谱等实验手段对退火后的锌膜进行了细致的表征。通过比较退火前后的锌膜的形貌以及成分的差异,我们发现退火后的锌膜不仅变得更加致密而且在其表面生长了一层沿＜001＞方向,厚度大约200nm的ZnO薄膜。与此同时,我们还对比了在相同的生长条件下ZnO纳米线在退火的锌膜和未退火的锌膜上的生长过程、纳米线的取向、形貌以及密度,实验结果证明这层在退火过程中形成的ZnO膜,不仅可以有效的阻止锌膜在生长过程中的氧化,为纳米线的生长提供相对稳定的锌浓度,而且还为ZnO分子提供了优先成核的外延性衬底。这项工作不仅为在锌膜上实现ZnO纳米线外延生长提供了新的方法,同时也为更深入的理解外延生长与非外延生长提供了真实的物理图像。 3.首次用ZnTe纳米线为模板,在环境扫描电子显微镜中成功的制备了树状结构的ZnTe/ZnO纳米异质结,并研究了ZnTe纳米线不同晶面对ZnO成核以及生长的影响。经过一系列的结构与成分表征后我们发现ZnO与ZnTe纳米线都具备非常高的晶体质量而且ZnO纳米线在ZnTe上是很好的外延性生长。值得一提的是在生长过程中我们发现生长温度对ZnO纳米线在ZnTe线上的生长密度,直径,以及长短都有非常明显的调控作用:越高的生长温度越能促使高密度,长宽比大的ZnO纳米线在ZnTe纳米线上生长。非常有趣的是在实验中我们发现在较低的生长温度下(650℃),ZnTe纳米线不同的晶面对ZnO分子的成核有非常明显的选择性,在相同的生长条件下,在ZnTe的{211}面上生长着高密度的ZnO纳米线,而在ZnTe的{110}面却没有生长ZnO纳米线。我们结合晶体生长的基本理论,分析了产生这种现象的可能原因,并利用第一性原理计算了ZnTe不同晶面的表面能。计算结果表明ZnTe的{211}面的表面能高于ZnTe的{110}面,从而使得ZnO分子更容易在ZnTe的{211)面成核与生长,这一计算结果很好的吻合了实验中所观察到的现象。同时这种新颖的树状结构的ZnTe/ZnO纳米异质结与纯的ZnO、ZnTe纳米线相比,具有非常优越的光催化性能。在光催化实验中,由于这种树状的三维异质结构不仅能够有效的增加表面积,同时在在光照的情况下,光生载流子在ZnTe与ZnO的界面处分离,降低了电子与空穴的复合几率,从而大大的提高了光降解的效率。