低维ZnO纳米结构的生长、表征与离子掺杂改性

2016-03-10 09:56:34 人浏览

　　实验目的

　　纳米材料具有明显不同于相应体材料的奇异特性，在物理学、化学、材料科学、生物医学和生命科学等领域具有潜在的重要应用前景，已引起各国科学工作者的高度关注。而真空科学与技术、薄膜沉积技术以及离子束材料改性技术不但与纳米材料的制备及其性能改善息息相关，而且在信息、微电子、新能源、功能材料等国民经济领域和国防工业的生产与研究方面有重要的应用。本实验旨在培养学生加深对所学的有关真空技术、薄膜沉积、纳米材料研制及离子束材料改性基础知识的理解，熟悉、掌握和提高综合性实验能力，为从事相关领域的就业、科研或深造奠定综合实验基础。

　　教学要求

　　1. 熟悉扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）的测试原理和方法，根据实验结果正确分析ZnO纳米材料的显微结构和晶体结构。

　　2. 掌握低真空泵、高真空泵和真空测量的工作原理和正确使用方法、等离子体的形成及离子引出的最佳工艺参数调试技能。

　　3. 重点掌握低维ZnO纳米结构的生长原理与方法以及低能H+注入对纳米结构ZnO本征缺陷、光致发光等物理特性的改善作用。

　　实验内容与学时分配

内容	学时
一．真空的获得与检测	6
二．硅衬底上ZnO薄膜过渡层的离子溅射与热处理制备	6
三．定向ZnO纳米结构的CVD生长	8
四．ZnO纳米结构形貌分析及晶体结构表征	8
五．ZnO样品的H+掺杂与物性分析	8

　　本综合实验的流程如下

　　衬底清洗→装入离子溅射样品室→ 真空获得与检测→Zn薄膜溅射制备→Zn膜热氧化成ZnO过渡层→ZnO纳米结构的CVD生长→ SEM、XRD表征→ H+掺杂→光致发光测试→ 结果分析→ 论文式综合实验报告

　　气相法制备纳米ZnO的主要实验原理

　　（1）气－液－固 (VLS) 机理

　　气－液－固 (VLS) 纳米线生长机理是 Wagner 研究大单晶纳米材料生长时提出的。指杂质能与体系中的其它组分一起在较低的温度下形成低共融的触媒液滴，从而气相反应物和基体之间形成了一个对气体具有较高容纳系数的 V-L-S 界面层，该界面层不断吸纳气相中的反应物分子，在达到了适合纳米线生长的过饱和度后，界面层在基体表面析出晶体形成晶核（或通过异相成核），随着界面层不断吸纳气相中的反应物分子和在晶核上进一步析出晶体，纳米线不断的向上生长，并将圆形的低共融液滴向上抬高，一直到冷却后形成了按 VLS 机理生长纳米线的基本特征－凝固的小液滴。该机理可概括为：合金化、成核、轴向生长。用 VLS 机理，人们合成出元素半导体、化合物半导体及氧化物多种纳米线。

　　（2）气－固 (VS) 机理

　　除了VLS机理外，另一种常见的纳米线生长机理为 VS 机理。纳米线的气固生长机理 (VS) 即通过气－固反应成核生长纳米线。Frank在研究锡纳米线生长机理时提出的位错理论通常被用来解释纳米线生长的气固机理。他认为锡纳米线的生长过程可以解释为：锡纳米线因表面氧化而产生应力，使其能在块状金属中长出连续的金属纤维，而块状金属中的螺型位错结构为其不断绕着纳米线根部运动创造了条件，纳米线表面因氧化而降低的表面自由能则提高了纳米线生长的驱动力。Frank 位错理论认为，纳米线生长所遵循的规则是：纳米线的轴必须与位错的伯格斯矢量平行（如，晶体中的滑移方向等）。纳米线生长所需的先决条件是：(1) 氧化或活化的气氛；(2) 表面有小的凸出物；(3) 存在位错 (特别是螺型位错)。在满足这些条件后，在合适的温度下活性气氛将吸附于凸出物 (或小的颗粒) 表面形成晶核，晶核伴随体系中的热起伏继续生长或分解，当达到某一临界值时，晶核稳定地沿着位错的伯格斯矢量方向生长形成纳米线。

　　本实验隶属于气-固（V-S）反应成核生长机制。在适当的高温、一定氧比例的动态低真空环境下，使锌粉气化为气相原子，并与活性气体氧原子进行化学反应生成ZnO（有关Zn被氧化成 ZnO的详细说明见下面“Zn的氧化反应” 部分）：在硅或玻璃衬底表面或预先制备的ZnO过渡层薄膜上形成晶核后，进一步吸附气相Zn原子氧化生长成ZnO纳米线/杆。

　　主要设备

　　教材与参考资料

　　1．《薄膜技术基础》，田民波编，清华大学材料工程系，1998

　　2．《材料分析测试技术》，周玉，武高辉编著，哈尔滨工业大学出版社，1998

　　3. 相关科技论文查阅

　　4. 相关仪器说明书及本项综合实验物理指导书

　　考核方式

　　论文式系统综合实验报告