缺陷对若干纳米材料光学和电学性能的影响

发布时间：2016-10-08 07:09

第一绪论

缺陷,一提到这个名词,人们往往想到的都是负面的信息。人人生而有缺陷,我们也总会看到这样那样的不完美。然而,正因为缺陷的存在,这个世界才变得丰富多彩。同样地,缺陷也是凝聚态物理学和材料科学中非常重要的研究对象。晶体材料的诸多特性,如光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、热学特性等,都和缺陷结构密切相关。通过控制材料中的缺陷,人们己经制备出发光材料、半导体材料、巨磁阻材料、热电材料等各种功能材料。珪半导体工业的成功便是其中最典型的例子,它己对人们生产生活的各个方面产生了深远的影响。当材料和器件的尺寸小到纳米尺度时,缺陷的影响就变得更加忌著,甚至起到决定性的作用。因此,表征低维纳米材料中的缺陷、研究缺陷对材料性质的影响,是实现低维功能材料与器件的基础。为此,本章我们首先简要介绍缺陷和低维纳米材料的基础知识,随后给出缺陷对低维纳米材料影响的研究现状,最后在此基础上提出本论文的研究工作。

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第2章ALD包裹及退火对ZnO纳米棒发光特性的影响

2.1硏究背景

为此,在本章中,我们首先用最常用的气相沉积(vaporphasecondensation,VPC)方法制备了ZnO纳米棒阵列,然后系统研究了其结构和发光性能随Al2O3层包裹退火的影响。我们发现, Al2O3包裏并没有改变ZnO纳米棒的发光特性;在大气环境下500退火后,没有Al2O3包裹的ZnO纳米棒的PL强度下降,但ZnO/Al2O3复合结构的NBE和DL发射得到显著增强。更新奇的是,我们在经退火的ZnO/AkO3纳米棒上观察到明显的反常NTQ发光行为,而其它样品只表现出正常的热浑灭特性。通过多能级模型的拟合和估算,得到了NTQ过程对应的热活化能约为69meV,并指认了这一杂质能级来源于退火过程中ZnO和Al2O3的互扩散在界面引入的A1施主缺陷。本章的研究工作能让我们更好地理解退火引入的缺陷对ZnO纳米结构的光学性质的影响。

2.2实验部分

为了更清楚地了解包裹和退火对ZnO纳米棒形貌及结构的影响,我们进行了离分辨透射电镜的表征。图2.5给出了单根ZnO纳米棒、单根ZnO/Al2O3纳米棒和单根退火ZnO/Al2O3纳米棒和高分辨率表征结果。从TEM图像中(图2.5(a-c))我们可以很清晰地观察到ZnO内核和Al2O3壳层间完好的界面.同时可测量出Al2O3壳层的厚度为25nm,与图2.3的SEM图像及图2.4中的估算结果一致。此外,从HRTEM国像中(图2.5仲0),我们可以看到ZnO内核为纤锌矿结构.且沿C轴方向生长C图中用白色尖头标出);而Al2O3壳层为非晶结构,在ZnO表面均匀包裹。图2.5(e-f)插图给出了单根纳米棒对应的选区电子衍射花样,它们只显示出ZnO内核矿结构的衍射斑点,与HRTEM结果一致。由此我们可以得出结论,无论ALD的包裹还是后续退火处理,都不会改变ZnO的形貌和结晶质量。

第3章多壁M0S2纳米管的手性、应力和光学偏振行为....79

3.1研究背景....79
3.2实验部分....81
第4章层状和螺旋状化Bi2Se3纳米片的电学特性研究....121
4.1研究背景....121
4.2实验部分....123
第5章展望..........147

第4章层状和螺旋状Bi2Se3纳米片的电学特性研究

4.1研究背景

在材料中引入螺旋位错会思著改变材料自身的电子结构和带隙,会使材料产生应变,从而改变其电学性质、催化活性等。那么, 螺旋位错驱动生长出的螺旋状扣2SC纳米片和常规的层状Bi2Se3纳米结构相比,是否也存在昆著的电学性能差异?为此,我们与曾与研究组合作,制备了螺旋状和层状Bi2SC3纳米片的场效应晶体管(FET),比较了两种纳米片的电学特性,同时用导电原子力显微术(CAFM)研究了两种纳米片的表面导电特性及其分布。我们发现, 螺旋状Bi2SC3纳米片和层状纳米片具有优良的导电特性,其电阻随温度降低均体现出类金属的单调下降的趋势.且可以用修正的金属电阻率随温度变化的理论很好地拟合。相比层状纳米片,螺旋状Bi2Se3纳米片具有更高的载流子浓度、更低的迁移率和更离的表面活性,其中螺旋位错提供了一定的载流子。由于这些独特的结构和特性, 螺旋状Bi2Se3纳米片有望在催化、气体传感等领域得到一定的应用?

4.2实验部分

由于两种纳米片的尺寸和表面形貌差异显著,我们可以利用光学显微窺进行辨别。图4.7给出了两种纳米片的光学思微图像,可看到,螺旋状纳米片的尺寸较小,颜色衬度体现为金黄色,反映出样品表面不平整-对入射光有较强的散射;层状纳米片的尺寸相对较大,表面颜色均匀,接近衬底的蓝紫色(干涉效果),反映样品且表面光滑。这样,我们便可以方便快捷地通过光学显微镜选择需要的样品,进行后续的表征。对于我们所用的液相多元醇法制备的BisSes纳米片,由于是缺Se的环境下生长,生长过程中很容易引入Se空位缺陷,从而导致样品髙的体态载流子浓度。相比而言,螺旋状纳米片在生长过程中,前驱物的过饱和度更低,由此推测,螺旋状样品会形成更大的Se空位渗杂,电导会更大。这与上面观察到的结果一致。虽然从初步的结果判断,无论是螺旋状纳米片还是层状纳米片,体态的贡献都占主导,但我们更感兴趣的是,是否存在表面态导电的贡献。为此,我们建立了一个简单的模型对上述的电学表征结果进行进一步的分析。

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第5章展望

对于二维层状材料,目前不管是科研人员还是相关企业,都对其表现出极大的关注。其中最受热捧的便是石墨烯, 石墨烯产业也正日益蓬勃地发展起来。然而,我们需要清醒地认识到,尽管现在己经可以用氧化还原法实现石墨烯的量产,但其物性相比真正的石墨烯相差太,很难在超级电容器、触摸屏、传感器等领域得到有竞争力的应用。因此必须发展新的大规模制备石墨烯的工艺,如CVD法、化学剥离法等等。这些大規模制备工艺生产出的石墨規不可进免地会具有各种缺陷,这又要我们深入研究不同缺陷对石墨烯物性的影响,进而给出适当的解决方案。事实上,由于二维层状材料涵括了从绝缘体到半导体到金屑很大的一个家族。其中的很多研究才刚刚起步,如螺旋位错对层状材料光电特性的调控;有些研究有待突破,如维层状材料的CVD可控生长;还有很多问题有待人们发现和探索。因此.下一步我们计划在现有工作的基础上,更深入地研究结构缺陷对纳米材料光电特性的彩响。

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参考文献（略）

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本文编号：133335