基于蒙特卡罗方法的纳米线气-液-固生长机制研究

纳米线(NWs)由于其独特的光电性质,已成为新时代信息与能源等技术的重要基础,对其生长机理的研究是当前纳米材料领域的重要课题之一.人们通常通过不同的物理化学过程(如化学沉积、物理沉积、元素合成法等)来描述其生长机理.该文基于蒙特卡罗方法,从概率统计的角度研究NWs气-液-固(VLS)生长机制.研究发现,催化剂液滴在基底上分布的均匀性越好,NWs的生长角度越接近垂直状态.NWs长度对催化剂薄膜厚度十分敏感,随着催化剂薄膜厚度的增加,NWs的长度整体呈增加的趋势,并且对于不同的薄膜厚度,均存在两个概率密度较高的NWs长度.研究工作为理解NWs微观生长机制提供了一种全新的视角,有望为相关NWs生长及其调控提供理论依据.

合成参数对气-液-固法低温生长MgO纳米线的影响

将Mg(C11H19O2)2(即双(2,2,6,6,-四甲基-3,5-庚二酮酸)镁)作为反应前驱体,用脉冲液滴注入式金属有机物化学气相沉积法,在较低温度(T=600℃)下合成MgO纳米线.纳米线沿着[001]方向生长且Au催化剂位于纳米线顶端,这表明纳米线是由气-液-固机制诱导生长的.通过改变前驱体注入的脉冲周期或周期注入剂量能够控制纳米线的生长模式,使之垂直或平行于样品表面生长.

一种无金属催化辅助生长SiC纳米线的机制

采用扫描电镜、能谱、X-射线衍射及透射电镜等技术分析了一种无金属催化辅助下制得的SiC纳米线的生长过程及生长机制.结果表明:在生长初期SiC纳米线端部就形成凝固熔滴.凝固熔滴在随后的纳米线择优沿[111]方向生长过程中不断地向前推进.凝固熔滴中除了含有Si和C以外,还含有O.SiC纳米线的生长机制因属于气-液-固机制,反应气氛中的氧代替金属催化剂参与了SiC纳米线的形核及生长.

硝酸银辅助的氧化锌纳米线的气相法制备

以硝酸银作为催化剂前驱物，通过低成本的CVD法，成功合成了氧化锌纳米线。利用场发射扫描电镜（FESEM）、X射线衍射仪（XRD）、高性能X射线能谱仪（EDS）、荧光光谱仪等研究了氧化锌纳米线的形貌、相结构、化学成份和光致发光特性。研究结果表明：所获得的氧化锌纳米线具有六方纤锌矿结构；平均直径为50nm，长度在3—5μm之间；室温下，氧化锌纳米线除了有明显的紫外发射外，在421nm附近还有紫光发射。整个氧化锌纳米线的生长由气-液-固机制所控制。

VLS机制下SiC晶须的生长

采用化学气相沉积(CVD)法以气-液-固(VLS)机制生长了碳化硅(SiC)晶须,系统研究了基片表面的气流状况、生长温度和反应室总气压等对SiC晶须形貌的影响。研究结果表明:当基片表面存在较强的平流状态时,以生长SiC薄膜为主,很难形成晶须;生长温度及反应室总气压对晶须的直径有较大影响,合适的生长温度以及较高的总压有利于晶须的生长。

气氛对MnCr_2O_4尖晶石纳米线生长的影响

建立了一种在氮气和氢气的还原性混合气氛和1100℃条件下加热商业不锈钢箔(304)制备MnCr2O4尖晶石纳米线的简单方法,并研究了不同气氛对纳米线生长的影响.研究发现,混合气体中氢气含量的变化会影响纳米线的形貌和产率;而氧化性气氛(如空气)下则得不到纳米线.在还原性气氛下,Mn和Cr原子可以和反应室内残留的痕量氧反应生成MnCr2O4尖晶石,而Fe和N i原子不能被氧化,但是Fe和N i可以起到催化纳米线生长的作用,纳米线的生长机理属于自催化性的气-液-固(VLS)机制.

有机前驱体热解合成Si_3N_4纳米带及其生长机制的研究

通过催化剂辅助有机前驱体热解,合成了单晶Si_3N_4纳米带。其工艺主要包括3个步骤:有机前驱体低温交联固化、高能球磨粉碎和高温热解。采用SEM、XRD、EDS、TEM和HRTEM等分析手段对Si_3N_4纳米带进行了详细的表征,对Si_3N_4纳米带的生长机制进行了深入的探讨。

一维ZnE(E=S,Se)网状微米晶须的化学气相合成及生长机理研究

以Zn粉为原料,在CuE(E=S,Se)微米球的辅助下,采用化学气相沉积(CVD)法在Si衬底上成功制备出微米级ZnE(E=S,Se)网状晶须。用XRD,EDS,SEM和PL谱分别对产物的结构、成分、形貌和结晶质量进行了测试和分析。结果表明:生长的ZnS和ZnSe微米晶须均为立方闪锌矿结构,长度达300μm以上,具有接近理想化学计量比的成分和较高的结晶质量。ZnE微米晶须的生长符合氧化还原反应下的气-液-固生长机制,Cu3Zn合金充当了实际的微米晶须生长催化剂,在晶须生长过程中Cu3Zn合金汇聚在一起使ZnE微米晶须形成交叉网状结构。

用VLS机制制备硅纳米线的生长阶段研究

在镀Ni的Si衬底上用硅烷高温分解的方法由VLS机制制备了硅纳米线，在不同的实验条件下研究了VLS机制生长的三个阶段：结晶阶段、共熔阶段和生长阶段，特殊条件下制备的处于结晶阶段的长度仅几十纳米的硅纳米线显示硅纳米线是从催化剂颗粒中长出来的，观察到的硅纳米线的生长过程说明VLS机制在纳米尺度仍然有效，可用于各种材料纳米线的制备。

热蒸发铜粉法制备硅纳米线的研究

研究发现,热蒸发铜粉即可在硅衬底上直接生长出硅纳米线。场发射电子扫描电镜和透射电镜分析表明,纳米线的形貌、结构及生长机制,随沉积区域的不同而变化。在高温沉积区,硅纳米线高度弯曲且相互缠绕,按气-液-固机制生长;在低温沉积区,高度定向生长的直硅纳米线,规整地排列在硅衬底表面,其生长机制是氧化辅助生长机制。

真空热蒸发生长CdX(X=S,Te)纳米线研究性实验

将一维纳米结构的气—液—固生长机制与大学材料物理实验真空热蒸发镀膜结合,设计了生长半导体纳米线的研究性实验.利用金属铋或锡作为催化剂,真空热蒸发生长了CdS,CdTe等半导体纳米线.纳米线产物形貌均匀,并可实现选择性生长.

碳热还原合成Ti(C,N)晶须的相转变行为及生长机理

以TiO2和碳黑为主要原料,NaCl为卤化剂,NiCl2作为晶须生长的添加剂,在N2气氛下采用碳热还原法,在不同温度下合成Ti(C,N)晶须。采用X射线衍射研究合成样品的相组成及合成过程中原料的相转变行为,采用扫描电镜观察合成样品的形貌,探讨晶须的生长机理并建立生长模型。结果表明:在1 200℃合成时,主要发生TiO2与碳黑、氮气之间的直接还原反应,形成TiN;在温度为1 250-1 400℃时,NaCl分解产生的Cl原子起卤化作用,从NiCl2中分解出的Ni起催化作用,合成出Ti(C,N)晶须,晶须长度在10-30μm之间,直径大约1μm;合成的晶须表面光滑,顶端残留有催化剂颗粒,具有典型的气-液-固晶须生长机制特征。

硅热蒸发法制备SiC纳米线及其结构表征

采用简单热蒸发法使硅蒸气和碳纳米管反应生成了碳化硅纳米线.反应产物首先经X射线衍射(XRD)确定为3C-SiC.再用场发射扫描电镜(FESEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)等进行形貌和结构研究,发现3C-SiC纳米线部分呈直线六棱柱形状,大多为3C-SiC单晶,其[111]方向与纳米线长度方向一致,间或有折线,弯曲和螺旋形.在这些结果的基础上,提出3C-SiC纳米线形核生长的气液固(VLS)机制:硅蒸气(V)溶于碳纳米管端部残留金属催化剂液滴(L),与碳纳米管反应(S),生成3C-SiC晶核并沿碳纳米管长度方向生长.

纳米ZnO生长及性质分析

利用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术,在表面含有ZnO颗粒作为催化剂的Si(111)衬底上制备了ZnO纳米柱阵列。采用X射线衍射(XRD)、喇曼光谱(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光(PL)谱分析了样品的晶体结构质量、表面性质和光学性质。结果表明,生长出来的纳米ZnO具有较好的c轴择优取向性。发现氧分压对ZnO纳米柱的生长有重要影响:当氧分压较低时,生长基于VLS机制;当氧分压较高时,生长基于VS机制;通过对N2O流量的控制可实现对ZnO纳米材料的可控生长。

HVPE生长的高质量GaN纳米柱的光学性能

GaN纳米材料因具有优异的晶体质量和突出的光学性能及发射性能,日益受到关注。研究了一种利用氢化物气相外延(HVPE)系统生长高质量的Ga N纳米柱的方法。使用镍作为催化剂,在蓝宝石衬底上生长出了GaN纳米柱。在不同生长时间和不同HCl体积流量下制备了多组样品,使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)谱对样品进行了分析表征。测试结果表明,在较低的HCl体积流量下,生长2 min的样品具有较高的晶体质量和较好的光学性质。讨论了不同生长阶段的GaN纳米结构发光特性的变化规律,认为纳米结构所产生的表面态密度大小差异会造成带边峰位的红移和展宽。

ZnO纳米线的合成与生长机理

采用化学气相沉积系统制备ZnO纳米线，以覆盖一层约5nm厚的Ag薄膜的单晶Si（001）为衬底，纳米线的生长遵循气-液-固（VLS）机理。对得到的样品采用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）进行晶体结构和形貌的表征。XRD结果表明衬底温度在600-700℃时生长的ZnO纳米线具有六方结构和统一的取向。通过扫描电子显微镜分析，比较了生长温度对纳米线直径和长度的影响。实验表明我们可以通过催化剂和温度来实现ZnO纳米线生长的可控。与传统的VLS生长方式不同的是在我们制备的ZnO纳米线顶端并没有看到催化剂颗粒，表明纳米线的生长方式是底部生长，我们对其生长机理进行了研究。

SnO_2纳米结构的制备及发光特性

以Sn为源,在恒温1 000℃条件下,利用碳热蒸发方式,选取不同的退火时间,在溅射Au膜的Si衬底上生长出不同形貌的SnO2纳米结构。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)对纳米结构进行表征,结果表明,Si衬底上生长的是具有金红石结构的SnO2纳米结构,此外用光致发光(PL)对样品进行测试,研究其发光特性,发现397 nm的发光峰是由结构缺陷或者发光中心如纳米晶粒和缺陷造成的,585 nm的发光峰是氧空位缺陷引起的。在此基础上对SnO2纳米结构的生长机制进行分析,发现其遵从VLS生长机制。在恒温条件下,退火时间对SnO2纳米结构的形貌有重要影响,因此可以通过选择不同的退火时间实现SnO2纳米结构的可控生长,得到性能良好的纳米结构。