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氮化硼(BN)是一种十分重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物,具有一系列优异的物理化学性能,比如宽带隙、热稳定性、高热导率、高介电常数、化学稳定性等,在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有广泛应用。例如立方相BN(c-BN),由于其显著的物理化学性能,其负电子亲和势(NEA)特性及化学稳定性预示着其可能是极为优异场发射材料。然而,在BN纳米材料的制备方法中存在着如工艺复杂、成本高昂或原料有毒有害等问题。基于此,本文通过等离子增强化学气相沉积系统(PECVD),制备出了低维BN纳米材料,并对其结构进行调控以及性能研究。 本论文主要工作如下: 1.采用PECVD系统,使用B2O3为原料,通过电离N2和H2取代氨气(NH3)的方法,在Si(100)衬底上制备出了水平取向生长的纳米线,通过扫描电镜(SEM)表征发现纳米线只沿着互相垂直的两个方向生长,平均长度能达到10μm左右,原子力显微镜(AFM)测得纳米线宽度大概为150nm,高度20nm左右。在此基础上,通过改变衬底的晶体取向,对纳米线的结构进行调控,研究结果表明:在Si(100)衬底上,纳米线沿着两个方向生长,且这两个方向互相垂直;在Si(110)衬底上,纳米线只沿着一个方向生长;在Si(111)衬底上,纳米线沿着三个方向生长,且任意两个方向的夹角为60°。通过不同取向Si衬底表面晶体微结构特征结合纳米线生长放向的分析,表明纳米线总是在衬底表面沿着Si<110>晶向定向生长。透射电镜(TEM)表征分析表明纳米线主要为非晶结构,其生长方式并不是外延生长在Si衬底表面,而是以嵌入式的Si3N4为模板诱导生长的方式,在Si衬底表面形成纳米线结构。利用微区电子能量损失谱(EELS)对纳米线的成分进行分析,结果表明纳米线确实为BN纳米线。 2.对BN取向纳米线的生长机制进行深入研究。通过对比试验,发现Si衬底在N2和H2等离子体刻蚀下,在衬底表面会形成规则取向裂纹:在Si(100)、Si(110)、Si(111)衬底上裂纹始终沿着而Si<110>方向形成。裂纹的形成规律和衬底取向关系与纳米线的生长规律和衬底取向关系完全一致。纳米线可能就是以裂纹为诱导模板,形核生长为沿着Si<110>晶向定向生长的BN纳米线。本文研究中,还对该纳米线的电学性能进行了测试研究,发现无论垂直或平行衬底方向,纳米线部分都具有较低电阻,将为新型纳米电子器件的设计提供思路。 3.TEM表征发现在衬底表面形成纳米线的同时,还沉积有一层BN纳米薄膜。薄膜厚度大概在50nm左右,也是非晶结构。通过X射线光电子能谱(XPS)分析,确定薄膜为BN纳米薄膜。傅里叶红外(FTIR)表征中发现薄膜是混合相结构,高分辨透射电镜(HRTEM)表征也表明在非晶薄膜中含有一些微晶。对薄膜的结构调控和场发射性能研究中发现,最初制备的含纳米线薄膜具有良好的场发射性能,开启电场只有0.4V/μm,当电场强度为1.5V/μm时,电流密度能达到6.5mA/cm2。而后,通过提高制备温度,延长反应时间和退火等方法,对薄膜结构进行调控,并对不同结构薄膜的场发射性能进行测试。测试结果表明,除了退火处理后BN纳米薄膜的场发射性能变差外,其余样品都具有较好的场发射性能。并对不同结构薄膜场发射机制进行了分析。