论文部分内容阅读
自从1991年S.Iijima发现碳纳米管以来，由于具有独特的物理、化学性质和在纳米器件上的潜在应用，一维纳米结构材料引起了人们巨大的关注。因为在光电纳米器件和纳米发电机等领域具有广阔的应用前景，过去十年以来，ZnO、ZnS一维纳米结构的可控合成与制备一直是纳米科技领域中最热门的话题之一。在本论文中，我们围绕ZnS、ZnO纳米结构（包括纳米异质结构）的可控合成、微结构表征、生长机制及物理性质展开。本文由以下六个部分组成: 1) ZnS纳米带的合成、微结构表征及场发射性质。以ZnS粉末作为原材料、Au作为催化剂，通过物理气相沉积的方法合成了大量的ZnS纳米带。ZnS纳米带的长度为几十至上百微米，宽度为70-450 nm，厚度约为几个至几十纳米。制备的ZnS纳米带具有两种生长方向，一种是[100]方向，另一种是[001]方向。根据SEM证据，我们认为ZnS纳米带的生长模式是VLS生长机制。室温下，ZnS纳米带的光致发光谱显示了一个较弱的绿光发光峰，这可能是由Au的掺杂导致的。场发射测试的结果表明合成的ZnS纳米带的开启场强为3.4 V/μm，场增强因子高达6500。 2) CdS纳米带的直接合成、微结构表征及光致发光性质。提出了一种新颖的、通过金属Cd和单质S直接反应，快速气相合成CdS纳米带的方法。这种新方法拥有很多优点，如相对低的加热温度、较短的反应时间、不需要任何催化剂及不需要高真空等。制备的CdS纳米带是具有纤维锌矿结构的单晶。纳米带的长度为几十至上百微米，宽度为500-2000nm，厚度约为几至几十纳米，生长方向为[100]方向。CdS纳米带的生长模式可以用VS生长机制来解释。室温下，CdS纳米带的光致发光谱显示出很强的来自于CdS带隙发射的绿光发光峰。 3) ZnO纳米线阵列的合成、结构表征及场发射性质。通过热蒸发法，在(100) Si衬底上生长了ZnO纳米线阵列。ZnO纳米线阵列沿[001]方向表现出很好的取向性。纳米线的长度为5-10μm，直径为90-200 nm，纵横比高于25。ZnO纳米线阵列的生长模式可以通过VLS机制解释。室温下，ZnO纳米线阵列显示出较弱的紫外发光和较强的绿光发光。场发射测试表明ZnO纳米线阵列的开启场强、阈值场强及场增强因子分别为6.1 V/μm、9.2 V/μn和1397。 4)六重对称的、分级的ZnO纳米结构阵列的合成、结构表征及场发射性质。通过两步气相输运法，生长出六重对称的分级ZnO纳米结构阵列。纳米线主干竖直地生长在Si衬底上，次级的纳米线分支水平的生长在主干的表面上，表现出六重对称的特点。纳米线主干的长度为5-10μm，直径约为200 nm;分支的长度为数百纳米，直径为25-45 nm。六重对称的分级ZnO纳米结构阵列沿[001]方向具有优秀的取向性。研究了生长条件对分级的ZnO纳米结构阵列的形貌的影响，并通过两步VLS机制解释了这种具有特殊形貌的纳米结构阵列的生长模式。室温下，六重对称的分级ZnO纳米结构阵列显示出较弱的紫外发光和较强的绿光发光。场发射测试的结果表明六重对称的分级ZnO纳米结构阵列的开启场强、阈值场强及场增强因子分别为5.6 V/μm、9.3 V/μm和1351。与ZnO纳米线阵列相比，六重对称的分级ZnO纳米结构阵列表现出更强的绿光发射和更小的开启场强。 5) ZnS纳米带/ZnO纳米线异质结构的合成、结构表征及生长机制。首次提出通过MOCVD法，在ZnS纳米带上外延生长ZnO纳米线，从而形成ZnS纳米带/ZnO纳米线异质结构。产物具有形貌统一、单晶性好以及异质结构中的ZnS和ZnO具有相同的取向等重要特点。我们用自催化生长机制解释了ZnS纳米带/ZnO纳米线异质结构的生长模式。这种新方法不仅成功地实现了在预先合成的一维纳米结构上外延生长其他材料的纳米结构，而且还可以被用来在纳米尺度上构建具有多种功能的多成分系统。 6)分级的ZnS纳米带/ZnO纳米棒异质结构的合成、生长机制及阴极射线发光性质。通过两步气相输运法，成功地制备了分级的ZnS纳米带/ZnO纳米棒异质结构。在这种异质结构中，ZnO纳米棒分支的长度为220-330 nm，直径为100-160 nm，它们分别沿±[001]方向外延生长在ZnS纳米带的±(001)面上，同时ZnS纳米带和ZnO纳米棒都是单晶。通过自催化生长机制解释了ZnS纳米带/ZnO纳米棒异质结构的生长模式，并讨论了生长条件对ZnS/ZnO纳米异质结构的形貌的影响。室温下，ZnS纳米带/ZnO纳米棒异质结构的阴极射线发光谱显示出新颖的白光发光。