非晶SiO<,x>纳米线的制备、修饰和加工

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SiO_x纳米线因其优异的性能在光通讯、光传感、催化、环境敏感材料的保护等领域中显示出了良好的应用前景,因此人们尝试了很多方法制备SiO_x纳米线并对其生长机制进行分析,其中气-液-固机制得到了人们的广泛认可。但该机制涉及到很多复杂的化学过程,而这些化学过程受到反应腔中温度、压强、气流等多种参数的影响,甚至反应腔的设置、尺寸大小、几何形状和其它某些未知因素对最终反应产物也有一定的作用,所以SiO_x纳米线气-液-固机制的生长过程及相关细节尚未完全明确,而这些过程与细节的全面准确理解对SiO_x纳米线的可控制备和相关应用至关重要。为此,我们自行研制了一台CS-25激光诱导高温化学气相沉积装置,该装置的加热炉体和石英管反应腔的尺寸都设计得较小,因此反应腔内部的温度、气流、压强都具有较好的均匀性和高度的可控性。依托这台装置,我们采用简单的方法在Si片衬底上制备出灰白色粉末状样品,利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、EDS能谱仪等对其形貌、结构、成分等进行分析和表征,结果表明该样品为SiO_x纳米线。通过精确调节反应腔中的温度、压强、气流,控制生长时间分别为20min、25min、30min、40min、50min、60min,我们捕捉到了SiO_x纳米线的催化、形核、生长的整个过程和细节,通过对这些过程的细致分析,我们取得了对VLS生长机制的更细致更透彻的理解,同时还提出了阶段性粗细不均的纳米线形成机理,这些都为SiO_x纳米线的可控制备及相关应用提供了关键性的依据。另一方面,制备的SiO_x纳米线由于受自身尺寸限制,尤其是表面纳米曲率效应影响,具有一种结构上内禀热力学不稳定性,利用这种不稳定性可以对SiO_x纳米线进行精确修饰与纳米加工使其更好地应用在纳米光电器件等各种领域中。为此,我们也对SiO_x纳米线的修饰和纳米加工进行一些探究性的实验。在SiO_x纳米线的修饰方面,我们通过在纳米线表面沉积一层Au薄膜后高温退火的方法制备了表面上有Au纳米颗粒修饰的SiO_x纳米线的新结构,同时还利用高能常规电子束诱导下不同纳米线之间的物质传递制备了同轴复合结构的纳米线;在SiO_x纳米线的纳米加工方面,我们研究了不同束斑大小、不同辐照位置的聚焦电子束对SiO_x纳米线的纳米加工,发现纳米线的径向收缩是电子束辐照下的一个普遍存在的现象,而沿旁边辐照且束斑较小的电子束还可以引起纳米线的切割,沿中心辐照且束斑大的电子束还可以诱导纳米线有趣的“S”形弯曲变形。同时,通过对这些实验现象的深入分析,我们发现纳米线的“纳米曲率效应”和束辐照超快过程中的“软模效应”是在实验中诱导SiO_x纳米线的修饰和加工的主要因素。
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