铟基半导体纳米材料的制备及高压研究

发布时间：2020-10-16 11:16

　　 近年来，半导体纳米材料因其具有与体材料不同的奇异的物理化学性质以及广泛的应用而引起了人们的关注。众所周知，纳米材料的性质不仅与材料本身的组成有关还与其单分散性和其它特征例如尺寸、形状、晶相和暴露面等有关。随着纳米制备技术的发展，人们发现和改进了众多的制备方法例如：物理蒸发、化学气相沉积、激光消融法、水热/溶剂热法以及溶胶凝胶法等用来进行纳米结构的可控制备。现如今，实现纳米材料的可控制备逐渐成为了一个热点问题。 同时，因为纳米材料在高压下所表现出了一些与体材料不同的奇异的压缩行为，使得纳米材料的高压研究也吸引了人们的研究兴趣。它为揭示纳米材料奇异性质提供了机会，并为人们建立新的理论和概念来指导纳米材料的合成提供的可能。 铟基半导体纳米材料(In2O3、InOOH、InN等)作为一类重要的半导体纳米材料已经被广泛的关注并应用在了太阳能电池、场发射器件、液晶显示器以及气敏元件中。所以在本论文中，我们选其作为研究对象进行研究。同时因为溶剂热法和化学气相沉积法有着装置简单、经济实惠以及由于其封闭的反应条件带来的绿色环保等优点而被用来合成In2O3、InOOH和InN纳米结构。随后我们对合成的样品利用金刚石对顶砧(DAC)装置对其进行了高压实验，并详细的研究了它们的相变行为，具体如下： 1.一直以来，人们通常认为溶剂热反应是受化学参量和热力学参量影响的，但是对溶剂热过程中升温速率对目标材料的成核和生长过程的影响报道得很少。在本论文中，我们以溶剂热合成的InOOH/In2O3为研究对象以此说明溶剂热反应中升温速率对其成核、生长有着重要的作用。同时我们发现，在溶剂热反应过程中，不同的升温速率可以触发不同的生长机制，并随之影响样品的微结构。因此，可以预料在利用溶剂热反应制备纳米材料的过程中，控制升温速率是控制材料的形貌、微结构，甚至性质的一个潜在途径。 2.通常人们认为纳米材料和体材料在高压下压缩行为的差异受其尺寸和形貌差异的影响。然而，关于In2O3纳米材料在高压下压缩行为，人们得到了一些矛盾的结果，这些矛盾的结果并不能简单地用尺寸和形貌的差异来进行解释。在本论文中，我们发现除了尺寸和形貌以外，微结构作为一个关键的因素对立方块形状的In2O3纳米晶在高压下的压缩行为和相变途径有着重要的影响。因此，可以预料通过控制纳米材料的微结构可能是调节它们在压力作用下的结构和弹性性质的一个潜在途径。 3.我们在室温下对直径均一的氮化铟(InN)纳米线进行了原位高压同步辐射研究。在以往文献报道中，人们普遍认为InN会经历了一个从六方纤锌矿结构到立方岩盐矿结构的完全可逆的相变，但是在本实验中的InN纳米线却出现了部分相变不可逆的现象，即完全卸压后的样品为立方岩盐矿结构和六方纤锌矿结构InN的混合物。本研究的结果反映出了高压作为一种重要的技术手段在合成立方岩盐矿结构的InN纳米材料以及其它亚稳相材料方面有着潜在的应用价值。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN304;TB383.1
【部分图文】：

第一章 绪论 纳米科技与纳米材料“纳米”，是近几十年被提出，但很快应用在各行各业的一个新兴词汇。成为了形容尺度小的一个代名词。“纳米”其实是一个长度单位，在国际单(SI)中,1 nm=10-9m。如图 1.1 为处于不同的尺度范围内的物体。通常人们把维空间中至少有一维尺度处于 1-100 nm 范围内，或由它们作为基本单元组材料称为纳米材料。而对于纳米科技，正是研究包含在这一尺度范围内的物纳米尺度范围内，物质的物理、化学、生物性质都会发生改变，因此，纳米为我们提供了制造新的功能和智能材料的工具，并且能系统的调控这些处于尺度的材料，使其新奇的性质得到广泛应用。

图 1.2 利用飞秒激光微纳加工技术制备出的 Au 的微纳结构随着科学技术日新月异的发展，人们已在纳米领域有了相当的成就，早90 年，美国圣荷塞 IBM 阿尔马登研究所的 D.M.Eigler 等人成功地利用 S液氦温度(4.2 K)和超真空环境下，实现了对吸附在 Ni(110)表面的 Xe 原子的搬迁，最终以 35 个 Xe 原子排成 IBM 三个字母；中国科学院也在 1993 年也原子排列成“原子”字样，实现的对原子的操控。如图 1.2 所示，最近吉林的 Xu 等人通过飞秒激光微纳加工技术制备出了各种有着有趣图案的 Au 的米结构[3]，充分体现纳米科学的艺术美，可以预料纳米技术必将逐渐发展成信息、生物、能源技术之后，又一影响人类和社会经济的重要技术。

表面原子数占总原子数的比例随粒子大小的变化曲线
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本文编号：2843181