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。     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性，在纳米电子学，光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中，ZnO因激子束缚能大（60meV），可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外，还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性，可应用于纳米光电子学器件，传感器及存储器件，纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备，一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

单晶ZnO、TiO_2纳米线拉伸力学特性的分子动力学研究

采用分子动力学方法,模拟了不同加载速度、不同温度下单晶ZnO、TiO_2纳米线的拉伸破坏过程.通过模拟结果,对比、分析了两种单晶金属氧化物纳米线拉伸力学特性的差异.研究表明,1)ZnO纳米线的断裂机制为:表面微裂纹-微孔-微裂纹与微孔贯穿-断裂,而TiO_2纳米线的断裂机制为:局部屈服-颈缩-断裂;2)TiO_2纳米线的承载能力优于ZnO纳米线,而承受变形的能力劣于ZnO纳米线;3)温度较低的情况下,纳米线的抗拉性能较好;加载速度越高,纳米线的抗载性能越好,而抗变形能力越差.     

ZnO薄膜的性质对水热生长ZnO纳米线阵列的影响

用水热法在ZnO薄膜上制备了直径、密度及取向可控的ZnO纳米线阵列。ZnO薄膜是通过原子层沉积(ALD)方法制备并在不同温度下退火处理得到的,退火温度对ZnO薄膜的晶粒尺寸、结晶质量和缺陷性质有很大的影响。而ZnO薄膜的性质对随后生长的ZnO纳米线的直径、密度及取向能起到调节控制的作用。通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪和光致发光(PL)测试对ZnO薄膜和ZnO纳米线进行了表征。最后得到的垂直取向的ZnO纳米线阵列适合在发光二极管和太阳能电池等领域使用。     

ZnO纳米线薄膜的合成参数、表面形貌和接触角关系研究

水浴法合成ZnO纳米线薄膜的工艺参数直接影响其表面形貌, 并使其接触角及润湿性能发生变化. 本文仿真分析了轮廓算数平均偏差、偏斜度、峭度、相关长度等特征参数对随机粗糙表面特性的影响规律; 改变生长时间、种子层溶液和生长液的浓度, 批量制备了表面形貌不同的ZnO纳米线薄膜; 提出了取样长度的确定方法, 并基于扫描电镜图像和Matlab图像处理算子对ZnO纳米线薄膜表面形貌的特征参数进行了提取; 将表面形貌高度和水平方向的特征参数引入Wenzel模型, 分析了合成参数、表面形貌特征参数与接触角的影响关系. 结果表明, 合成参数变化时, 选择取样长度5.0 μm为宜; 生长液浓度大于0.125 mol/L时, ZnO纳米线之间发生重结晶, 并呈现疏水性; 改变种子层溶液浓度和生长时间, 均得到超亲水表面. 上述结论可用于不同氧化酶、细胞等在ZnO纳米线薄膜上的有效吸附及相应传感器测试性能的进一步提高. 关键词： ZnO纳米线 水浴合成 表面形貌 接触角     

SnO2微纳米材料的合成及其生长机理研究

利用简单的化学气相沉积法,以Sn粉为源材料合成不同形貌的一维SnO2纳米棒、纳米线和纳米花等纳米结构,并通过减小载气中的氧含量获得新颖的SnO2亚微米环状结构.通过调节Sn粉的量和载气中的氧含量、升温速率等试验条件,有效实现SnO2一维纳米结构的控制生长.采用扫描电子显微镜、能谱仪和X射线衍射仪表征产物形貌、成分和物相结构,并探讨了SnO2微纳米材料的生长机理.     

退火处理对ZnO纳米线紫外探测器性能的改善

通过介电泳方法定向排列了ZnO纳米线,制作了自组装有序的纳米线紫外探测器.为了适合在金叉指电极上排列,用水热方法设计生长了超长的ZnO纳米线,并通过700℃的热退火处理,使得可利用的表面缺陷增多.通过研究器件的光致发光光谱和光响应,发现光、暗电流比和响应恢复时间有显著提高,并分析了其中可能的机理.     

单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究

利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好. 关键词： 分子动力学 应力应变曲线 微观机理 单晶钨纳米线     

Cr掺杂ZnO纳米线的电子结构和磁性

采用自旋极化密度泛函理论系统研究了Cr掺杂ZnO纳米线的电学、磁学以及光学属性.计算结果显示,Cr原子沿[0001]方向替代ZnO纳米线中的Zn原子时体系一般呈现铁磁耦合,沿[1010]和[0110]方向替代Zn原子时体系呈现反铁磁耦合,且磁性耦合状态在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,发生了强烈的Cr 3d和O 2p杂化效应.自旋态密度计算结果显示,磁矩主要来源于Cr原子未成对3d态电子的贡献,磁矩的大小与Cr原子的电子排布有关.光学性质计算结果显示,Cr掺杂ZnO纳米线在远紫外和近紫外都具有明显的吸收峰,吸收峰发生了明显的红移.这些结果都表明Cr掺杂ZnO纳米线也许是一种很有前途的稀磁半导体材料. 关键词： ZnO 纳米线 第一性原理 磁性     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性,在纳米电子学,光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中,ZnO因激子束缚能大 (60 meV),可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外,还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性,可应用于纳米光电子学器件,传感器及存储器件,纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备,一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO/Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

气相沉积法生长不同结构ZnO纳米线及其发光

用Zn粉、Zn／In2O3／C粉作为不同锌源,通过气相沉积法在空气或N2／O2混合气氛下生长出多种形貌的ZnO纳米线（如：四脚状、多脚状、梳子状、绒棒状,以及纳米棒、纳米丝、纳米带等多种形貌）,直径约为50-1000nm,长度约为1—20μm。测量了样品的XRD谱、扫描电镜、透射电镜和选区电子衍射像,证明这些样品都是六方纤锌矿结构的ZnO单晶。四脚状样品的PL光谱显示样品存在近紫外峰（380nm）和绿峰（500nm）两个发射带,半峰全宽分别约为15,90nm,其峰值强度比其他方法（如溶液法）制得样品的峰值强。样品的尺寸对光谱强度有一定影响,但对谱峰位置并无影响。用He-Cd激光器的325nm激光对四脚状样品进行发射光谱分析,发现其近紫外激子发光大大增强而绿色缺陷发光相对较弱,近紫外的峰值位于383nm,半峰全宽约为16nm;绿峰峰值位于515nm,半峰全宽约为76nm。     

热氧化铜箔中的起皱和CuO纳米线的生长机

在500 oC大气条件下热氧化0.5 mm厚的铜箔0.5～10 h有起皱现象,且皱的大小随氧化时间的增加而增大,在皱的侧面和顶部均有生长CuO纳米线,皱侧面生长纳米线的长度比皱顶部的纳米线的长,密度也高;CuO纳米线的生长方向垂直于纳米线的生长表面. 通过计算波动阶段中皱内部的局部电场,发现皱的侧面和顶部的电场强度的数值相差很小,表明在CuO纳米线生长过程中驱动铜离子扩散的主要驱动力不是局部的电场力而是内应力.     

高分子软模板法自组装生长ZnO纳米线及其光学性能

采用自组装技术,利用均聚极性高分子(聚丙烯酰胺、聚乙烯醇等)长分子链作为自组装模板在半导体硅衬底上自组装生长出ZnO纳米线。采用扫描电镜(FE-SEM)和透射电镜(HRTEM)对样品的表面形貌和结构分析表征的结果表明,ZnO纳米线直径约50~80nm、长度大于4μm,具有六方纤锌矿单晶结构,且沿c轴方向择优取向生长。采用室温下光致发光(PL)谱和紫外吸收(UV)光谱对制得的ZnO纳米线的光学性能研究表明,其PL光谱上有较强的紫外发射和较弱的蓝光发射,UV吸收光谱表明样品在紫外区有强的宽带吸收,且随着纳米线粒径的减小,吸收峰出现了蓝移现象。研究探讨了高分子诱导ZnO纳米线自组装定向生长机制、发光机理及其与工艺条件的内在联系。     

ZnO Nanobelts and Hollow Microspheres Grown on Cu Foil

采用低温热蒸发法在铜箔衬底上制备了大量ZnO纳米带、空心微米球和“海胆”状球．采用XRD、激光拉曼光谱仪、SEM和荧光光谱仪分别对ZnO纳米结构的微结构、形貌和光致发光性质进行研究．分析表明,纳米带的宽度大约为500 nm且长度超过10μm,而空心微米球的直径为5～10μm;ZnO纳米结构的发光主要是较强的蓝绿缺陷态发光,以及弱的紫外带隙态发光．铜衬底上ZnO纳米结构的制备使得ZnO纳米结构和导电衬底之间具有良好黏着性和电接触性．     

Single Metal Ohmic and Rectifying Contacts to ZnO Nanowires: A Defect Based Approach

Ohmic and rectifying metal contacts to semiconductor nanowires are integral to electronic device structures and typically require different metals and different process techniques to form. Here we show how a noble metal ion beam of Pt commonly used to pattern conducting contacts in electron microscopes can form both ohmic and Schottky/blocking contacts on ZnO nanowires by controlling native point defects at the intimate metal‐semiconductor interface. Spatially‐resolved cathodoluminescence spectroscopy on a nanoscale both laterally and in depth gauges the nature, density, and spatial distribution of specific native point defects inside the nanowires and at their metal interfaces. Combinations of electron and ion beam deposition, annealing, and sculpting of the same nanowire provide either low contact resistivity ohmic contacts or a high Schottky/blocking barrier with a single metal source. These results highlight the importance of native point defects distributed inside nanowires and their variation near interfaces with sculpting and annealing.     

Synthesis and properties of aligned ZnO microtube arrays

Two kinds of different aligned zinc oxide (ZnO) crystal microtube arrays were prepared on silicon (1 0 0) substrates by using of a simple thermal chemical reaction vapor transport deposition method. The synthesizing processes were done by using of heating the mixture of zinc oxide and graphite powders at 1150 °C in a quartz tube with one side opened to the air. The O₂ gas (99.9%) and air had been introduced as the assistant gases, respectively. Both the flow rates were 100 ml/min. And the temperature of the Si (1 0 0) substrate region was about 400 °C. There is no other metal catalyst on the Si wafers in the process. After growing for 30 min, one kind of synthesized sample is trumpet-shaped hexagonal microtube arrays assisted with O₂ gas and another produced sample is the uniform hexagonal microtubes only assisted with air. As the increasing of preparing time, their maximal lengths can range from several 10 μm to mm scale. The microstructure, room temperature photoluminescence properties and growth mechanism of both aligned microtube arrays were investigated and discussed.     

Growth and interconversion of ZnO nanostructure films on different substrates

Hexagonal c-axis oriented ZnO nanorod (NR) arrays were grown on ZnO-coated glass substrates by chemical bath deposition (CBD). By varying the concentration of the precursor solutions, NRs’ mean diameter was controlled from about 100-400 nm. With increasing the growing time, the morphology of as-synthesized ZnO NRs evolved: the top center of the ZnO NRs was eroded into volcano-like structures which developed into ZnO nanotubes (NT) and finally the ZnO NTs split to form ZnO nanosheets (NS). We have also introduced Al to the fabrication of some different ZnO nanostructures: on Al substrate, freestanding ZnO NSs formed a flower-like structure at the early growing period and these ZnO NSs reassembled into ZnO NTs as growing time increased; while on ZnO-coated glass substrate with an Al foil dipped in the growing precursor solution ZnO NR-NS composited arrays were synthesized.     

Synthesis and growth mechanism: A novel comb-like ZnO nanostructure

A novel multilayer comb-like Zinc oxide nanostructure has been successfully synthesized via pure Zn chemical vapor deposition on anodic aluminum oxide substrate at 950 °C. X-ray diffraction and selected area electron diffraction indicate that the nanocombs are of wurtzite structure and single crystalline. The morphology and the microstructure of the nanocombs are investigated by the scanning electron microscopy. Transmission electron microscopy shows the growth direction, and energy-dispersive X-ray spectroscopy reveals the atomic composition ratio of Zn/O. The growth mechanism of such interesting and unique morphologies is briefly discussed.     

Al纳米线不同晶向力学行为和变形机制的模拟

采用分子动力学模拟计算方法,考察具有较高层错能的Al纳米线沿不同晶向的力学行为和变形机制。在相同计算条件下与具有较低层错能的Ni、Cu、Au和Ag等FCC金属纳米线进行比较。结果表明：在力学行为方面,Al纳米线的弹性模量呈现明显的结构各向异性,满足E_[111] > E_[110] > E_[100]的关系,这一关系在FCC金属纳米线中普遍成立;Al纳米线的屈服应力随晶向呈现σ_y[100] > σ_y[111] > σ_y[110]的关系,这一关系在具有较低层错能的FCC金属纳米线中不具有普遍性,这与体系中位错形成机制密切相关。根据拉伸变形过程微观结构的演变规律,阐明Al纳米线不同晶向的变形机制,并与具有较低层错能的Ni、Cu、Au和Ag等FCC金属纳米线的变形机制进行比较。结果表明,对于尺度较小的高层错能Al纳米线,Schmid因子和广义层错能均难以准确预测其变形机制。