【摘要】：本文采用真空熱蒸發(fā)方法,首次在硅油表面成功制備了多種低維鋅納米晶體,該實驗在室溫和無催化劑條件下進行;詳細研究了硅油表面低維鋅納米晶體的形貌特征、尺寸分布以及微觀結(jié)構(gòu);初步研究了沉積速率對鋅納米晶體在硅油表面一維或二維生長趨勢的影響,研究了硅油表面臺階狀鋅納米晶體的形貌特征與邊緣勢壘的關(guān)系;通過計算機模擬和建立微分方程模型等方法,深入探討了液相基底表面低維鋅納米晶體的生長機理。主要結(jié)論如下:a)在室溫和無催化劑條件下,采用真空熱蒸發(fā)方法制備樣品。若將鋅原子直接沉積到潔凈毛玻璃表面,可形成六邊形納米盤;若將鋅原子沉積在硅油表面,可在同一樣品中觀察到一維、盤狀、臺階狀等多種低維鋅納米晶體共存的現(xiàn)象。b)掃描電子顯微鏡(SEM)測量發(fā)現(xiàn):生長在硅油表面的一維鋅納米晶體包括納米線、納米帶、折線形納米棒、針尖狀納米棒以及直線形納米棒等,其中大部分為直線形納米棒,它們的長度和寬度均服從對數(shù)正態(tài)分布,且最可幾長度和寬度分別處于250-500 nm和20-40 nm范圍。透射電子顯微鏡(TEM)測量結(jié)果顯示:此類鋅納米棒為沿著[0002]方向生長的單晶棒,此方向與其晶相結(jié)構(gòu)(六方密排晶格)的優(yōu)先生長方向一致。分析認(rèn)為:具有各向同性且準(zhǔn)自由支撐特性的液相基底效應(yīng)與六方密排晶體優(yōu)先生長方向特征共同導(dǎo)致了鋅納米晶體的一維生長。c)我們在四方格點基底上建立了 一個新的計算機模型,通過Monte Carlo模擬方法研究了具有優(yōu)先生長方向特征晶體的一維生長機理。模擬產(chǎn)生的晶體棒為粗細均勻的直棒,即沿著生長方向?qū)挾缺３植蛔�。晶體棒的長度和寬度均服從對數(shù)正態(tài)分布。模擬與實驗結(jié)果較好的吻合。d)除了一維鋅納米晶體,硅油表面還可觀察到四邊形、五邊形和六邊形等多邊形鋅納米盤,其法向為[0001]晶向。當(dāng)沉積速率f=0.01 nm/s和f=0.10 nm/s時,低維鋅納米晶體的長寬比分別符合對數(shù)正態(tài)(lognormal)和邏輯斯諦(logistic)分布,其最大長寬比分別為159和52。研究結(jié)果表明,較低的沉積速率更加有利于鋅納米晶體的一維生長。此外,鋅晶體的各個優(yōu)先生長方向的優(yōu)先度并不相等,具有競爭生長的特征,實驗顯示:兩個主要優(yōu)先生長方向的優(yōu)先度之比δ≈10°-101。此結(jié)果表明優(yōu)先度差異并不顯著,由此導(dǎo)致硅油表面多種鋅納米晶體形貌共存的奇特現(xiàn)象。e)基于上述結(jié)果,我們進一步闡明硅油表面一維和二維鋅納米晶體的生長機理:(ⅰ)沉積鋅原子在各向同性且準(zhǔn)自由支撐的液相基底表面隨機成核,并形成子晶;(ⅱ)子晶在硅油表面隨機擴散,并吸附其周邊有效擴散面積"縭2內(nèi)隨機擴散的鋅原子;(ⅲ)被吸附到子晶上的鋅原子可沿著子晶的表面擴散直至達到最低表面自由能,即鋅納米晶體的形貌由各個優(yōu)先生長方向的競爭生長所決定。根據(jù)上述生長機理,我們建立了微分方程模型,并詳細求解了液相基底表面一維和二維鋅納米晶體的形成過程。f)除了一維和盤狀鋅納米晶體,我們在硅油表面同時發(fā)現(xiàn)了臺階狀鋅納米晶體,其平均臺階高度為16nm。研究表明:鋅晶體各個優(yōu)先生長方向的競爭以及邊緣勢壘的作用導(dǎo)致了此類臺階狀鋅納米晶體的形成。本論文共分五章,內(nèi)容編排如下:第一章:系統(tǒng)闡述了以固體和液體材料為基底制備低維納米結(jié)構(gòu)的方法以及生長機理,著重介紹了一維納米晶體的研究現(xiàn)狀。第二章:介紹了在硅油表面首次成功制備一維鋅納米晶體的實驗結(jié)果,該實驗采用真空熱蒸發(fā)方法,在室溫和無催化劑情況下完成。系統(tǒng)研究了此類鋅納米晶體的形貌特征、尺寸分布以及微觀結(jié)構(gòu);初步研究了液相基底表面一維鋅納米晶體的形成機理,并通過計算機模擬驗證了相關(guān)結(jié)論。第三章:通過真空熱蒸發(fā)方法在硅油表面成功制備了多種低維鋅納米晶體,并與在相同條件下的潔凈毛玻璃表面獲得的鋅納米晶體做了對比;詳細研究了硅油表面低維鋅納米晶體的形貌特征以及微觀結(jié)構(gòu);統(tǒng)計了不同沉積速率時硅油表面一維和二維鋅納米晶體的長寬比分布情況,由此研究了沉積速率對低維鋅納米晶體生長趨勢的影響;在硅油表面還同時觀測到臺階狀鋅納米晶體,并研究了其形貌特征與邊緣勢壘的關(guān)系;進一步闡明了硅油表面低維鋅納米晶體的生長機理。第四章:根據(jù)實驗過程,我們建立了一個微分方程模型并嚴(yán)格求解,深入研究了液相基底表面一維和盤狀鋅納米晶體的形成過程,如各生長階段鋅納米晶體長度和寬度隨時間的變化規(guī)律等。第五章:根據(jù)上述研究結(jié)果,給出結(jié)論。然后,基于實驗結(jié)果和相關(guān)理論分析,對未來可能的研究方向提出了展望。
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浙江大學(xué)博上學(xué)位論文邐逡逑米線、納米棒等一維納米結(jié)構(gòu)的制備中２￣３１。如圖１．２Ａ所示，其生長過程大致逡逑包含三個階段：首先，金屬納米顆粒在較高基底溫度下熔化成液滴，作為反應(yīng)容逡逑器及催化劑；其次，金屬液滴逐漸吸收并溶解氣相反應(yīng)物；最后，反應(yīng)產(chǎn)物在液逡逑滴中過飽和析出形成一維納米晶體。整個生長過程中，金屬液滴的尺寸幾乎不變，逡逑其大小決定了一維納米晶體的直徑。逡逑ｖａｐ0ｆ邋＾邋ｎａｎｏｗｉｒｅ逡逑ｍｅｔａ！邐ａｌｉｏｙ邐＼邋ｔ邐＝邐▲逡逑ｃａｔａｌｙｓｔｓ邐ｌｉｑｕｉｄ邐媻＇逡逑＿邐ｗ邐ｖ邋＾邐ｎ邐W逡逑ｗｔ邋＾邐ｉｉＢｉＢ逡逑熱．．＇Ｔｖ邐ｒｒｒｒ－－—逡逑》、邐？ｒ￣￣－ｒ逡逑３邋ｉ＊邋＾邋ｉ邐Ｊ邋ｖ＾＊邋ｉ邋－Ｃ－邋Ｓ１逡逑Ｉ邐ＩＩ邐�。椋殄义线娺娺娺娺姼义�！邐邐逡逑１０００＊１逡逑Ｉ邋＊＊邐，邐．邋－－逡逑一邋＼邋ａｌｌｏｙｉｎｇ邋ｙＺ逡逑ｒｏｏ：ｉ邐ｉ邐／，邐：邐＾逡逑５邐Ｉ邋／ｎｕｃｌｅａｔｔｏｎ邋＾邋丨逡逑＾邋６００邋＼邐／邋ＩＩ邋ｇｒｏｗｔｈ邋？逡逑�。哌�、／邐１１１邋４逡逑Ｋ邋４００－邐＼！邐３６０邋ｃＣ邐逡逑０邐２０邐４０邐６０邐８０邐１００逡逑Ａｕ邐Ｗｅｉｇｈｔ邋％Ｇｅ邐＾逡逑圖１．２邋Ａ．通過ＶＬＳ方法制備納米線的過程示意圖；Ｂ．金、鍺二元相圖，，并給出了合金、逡逑成核以及生長三個事件分別對應(yīng)的區(qū)域。逡逑以鍺納米棒的生長為例３，３（），圖１．２Ｂ給出了鍺－金二元相圖，當(dāng)基底溫度高逡逑于其共晶合金熔點（３６１°Ｃ）時

楊培東及其合作者通過透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）原位觀察鍺納米棒的生長，逡逑證實了邋ＶＬＳ機制３２。他們選用Ｇｅｌ２作為鍺的蒸發(fā)源，金為催化劑，并將基地溫逡逑度控制在７００到９００°Ｃ之間。圖１．３顯示了邋一組記錄單根鍺納米棒生長過程的逡逑ＴＥＭ照片。此姐照片很好地映證了圖１．２中所示的各個生長階段，包括金鍺合逡逑金的形成，金鍺合金液滴中鍺納米晶的成核，鍺納米棒在液體－固體界面的生長逡逑等等。實驗表明，納米棒的直徑基本上由催化劑的尺寸所決定，也就是說，尺寸逡逑越小的催化劑可用于制備越細的納米線。此外，Ｌｉｅｂｅｒ和楊培東等人的研究成果逡逑表明，可使用單分散的金膠體（或團簇）作為硅和磷化鎵納米線生長的催化劑，逡逑并通過控制此催化劑的尺寸可實現(xiàn)任意直徑的納米線的生長３３’３４。逡逑Ｖ－邐，５ＳＴ－／逡逑Ａ邐Ｂ逡逑Ｃ邐Ｄ邐＊逡逑０邐

本文編號：2627192