氧化锌纳米结构的合成及生长机理研究

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ZnO是一种具有多种优良物理化学性质的II-VI半导体材料,它无论是在物理还是在化学领域都具有非常广泛的应用以及潜在应用。近年来,关于ZnO纳米结构的制备、表征和应用是当今科学领域研究的热点之一。至今,已经报道有关ZnO纳米材料的制备方法有很多,如典型的高温碳热法、低温水热法、金属有机化合物气相沉积法(MOCVD)、模板法、金属蒸发等技术路线。我们实验中所用金属蒸发的方法是通过直接加热金属,使其蒸发汽化并发生转移,蒸汽在转移的过程中发生化学反应生成目标产物,接着在沉积的过程中形成期望微结构的过程。采用金属蒸发转移的方法制备ZnO的纳米结构所需的条件比较温和,操作简便,在合成的整个过程中没有像其它方法那样需要引入催化剂或者其它助剂,因此不会给产物造成可能的“污染”(像掺杂等),是一种比较理想的方法。但是,Zn是一种低熔点高蒸汽压的金属,一般情况下,当加热温度超过其熔点后,Zn蒸汽会以较快的速度被蒸发出来,由于Zn蒸汽溢出的速度以及产物生成的速度难以控制,所以产物的形貌也往往难以控制或者重复。然而,到目前为止,关于Zn蒸发机理这个关键的问题尚未引起足够的重视。在本研究中,对Zn在加热条件下发生蒸发转移的机理过程进行了初步的研究、发现了影响蒸发的主要主导因素、提出了在优化条件下Zn蒸发的机理,并在优化条件下得到了几种形貌的ZnO的纳米结构。通过扫描电镜(SEM)、拉曼光谱(Raman),光致发光(Photoluminescence,PL)、X射线衍射(XRD)以及借助于AFM的电性测量等表征,并结合热力学分析、动力学分析、流体力学分析以及实验现象,对反应体系中产物分布的形成过程,ZnO的沉积过程进行了动态的分析讨论,为在使用Zn源情况下控制合成ZnO形貌结构提供了初步的理论基础。在我们得到的众多形貌的ZnO中,我们着重研究了一种颗粒上长有细线和针、线的结构,对它的生长条件对形貌的影响进行了探讨,并在此基础上尝试控制它的生长形态。我们发现,在电子束聚焦到细线上时,本来是竖直的针、线会弯曲并且互相粘在一起。在估计了其所需要的力的大小后,我们给出了初步的解释。
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