使用高频感应炉制备多种一维纳米材料

发布时间：2018-11-27 14:15

【摘要】：一维纳米材料因其具有结构奇特多样化,理化性能优异以及广泛的应用前景,吸引了广大研究人员的注意。本论文以半导体纳米材料为研究背景,采用自行设计并拥有自主知识产权的高频感应加热系统来制备多种半导体一维纳米材料,利用SEM, TEM, XRD, SAED等表征手段对制备样品进行表征分析。主要研究工作有：1.硅纳米线及其衍生形貌的制备和表征A.使用Si0作为原料,通入适当反应气体首先制备出大量棕黄色的硅纳米线,制备过程无需任何基底材料,直接沉积在石英管内壁上,研究得知硅纳米线的形态与温度,压强,气体环境有密切关系。B.根据温度对硅纳米线的影响,利用分步加热法进一步制备出具有三维混合结构的硅纳米线,该结构由两部分组成：较粗的硅纳米线纵横交错搭建成有大量空隙的框架,极细的硅纳米线填充在大量空隙中。该结构具有非常高的比表面积和较稳定的结构,有一定的应用前景。C. 尝试使用废弃硅碎片制备硅纳米线,结合典型CVD反应炉的分段加热,在无催化剂的硅片上得到少量硅纳米线,有意思的是在每一片硅片的边缘都能得到排列有序,茂密生长的硅纳米线,而在硅片表面仍然只有极少量的硅纳米线。猜测有缺陷的硅片表面更易生长硅纳米线,为了验证这个猜想,人为的在硅片表面用砂纸擦拭后再进行实验,猜想获得证实。该发现有利于硅纳米线的选择性生长。D.尝试采用金属催化剂制备硅纳米线,不同于常见的溅射催化剂,本论文本着简单易行的原则,直接将同组研究人员利用磁引法获得的Ni纳米线作为催化剂。结果表明,在镍催化剂存在的情况下,硅纳米线更易生长,并且具有良好的形态。2. 碳化硅纳米线和纳米针的制备和表征碳化硅材料具有带隙宽,临界击穿电压高,热导率高,载流子偏移速度大,介电常数小等特点,以及辐射能力强,机械性能好等特性,成为热门的第三代宽带隙半导体,是制作高温,高频,大功率,光电子,抗辐射,高速器件的理想材料。但是SiC材料的制备相比于硅纳米线难度更高。本论文利用高频感应设备制备出两种形态的SiC纳米材料。A.本论文利用电磁感应反应炉的快速加热,终点温度高的优点,使用硅材料(SiO2, Si, SiO)和碳材料(石墨粉,炭黑)制备出高质量的碳化硅纳米线,并且在超声焊接SiC器件上得到了应用。B.尝试采用碳纤维作为碳源和沉积基底,制备出倒置生长的碳化硅纳米针并研究了其生长机理。该纳米针生长在碳纤维基底上,具有倒置生长的特性,即尖端在基底上,粗端朝外。该生长形态异于一般的纳米针,对生长机理的理解有积极作用。3.氧化锌一维纳米材料的制备和表征氧化锌是一种直接带隙半导体,带隙宽度为3.37ev,具有较高的激子束缚能和热稳定性,并且制备方法多样,纳米形态繁多。因此在过去的几十年中一直是研究热点。本论文采用简易的电磁感应设备,研究制备出三种形态的氧化锌纳米材料,分别是：A.直接使用氧化锌粉末和焦炭粉末混合加热,不使用催化剂和额外气体,直接使用空气作为反应气体,制备出大量的氧化锌纳米带.B.适当调节气体氛围,制备出具有四角状的氧化锌纳米材料C.研究过程中,发现制备获得的样品中存在少量梳子状纳米材料,对其形成过程进行机理分析4.碳纳米管和石墨烯衍生形貌的制备和表征。本论文对碳纳米管的制备不再赘述,重点研究了以下碳质材料的制备和表征：A.首先在硅片表面存在大量铁质催化剂的情况下,制备出具有章鱼状的碳质纳米材料,具体形貌为,一颗纳米铁颗粒下催化生长出数条(2-15)线性碳质材料,形如章鱼。研究发现碳质材料的形貌和催化剂的密度,颗粒大小,生长环境中氢气的含量有密切关系。B.减少催化剂颗粒的密度和颗粒大小,增大氢气含量,首次用CVD的方法制备出单根的石墨烯纳米带,研究过程得知,该石墨烯纳米带为单根碳纳米管在铁催化剂存在的情况下“切链”得到C.结合硅纳米线的制备方法,首次制备出硅纳米线-石墨烯核壳结构的纳米材料。
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【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TB383.1

【共引文献】