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本文采用了热蒸发气相法制备出四角ZnO纳米线和孪晶ZnO纳米线等纳米结构:利用扫描电镜(SEM)、x射线衍射(XRD)、高分辨透射电镜(HRTEM)、能谱(。EDX)、以及光致发光(PL)等分析测试手段,对所合成的纳米结构的形貌、成分、结构和物性进行了研究:探索并发展了一些制备纳米结构的新方法,进一步弄清了它们的生长条件和形成机制,并观察到过去宏观体系中未见到的一些新现象。以下为本文的主要研究结果:
第一章,叙述了准纳米一维材料的制备与生长机制、表征、性质和应用的最新研究进展。着重阐述了利用晶体本身的各向异性的方法、气体-液体-固体(VLS)法,激光烧蚀法、气体-固体(VS)法、溶液-液体-固体法、碳纳米管模板法、氧化铝模板法(AAO)以及现有纳米结构作为模板的方法制备各种类型的准一维纳米结构。同时,对准一维纳米结构的性质和应用作了相关的介绍。因为与块体材料比较,维度较低的纳米结构具备很大的比表面积并且受到量子效应的限制,往往会表现出特殊的电学、光学、化学和热学性质。这些特殊的性质将对发展和制造纳米器件有重大的意义。
第二章,我们发展了自身模板法用来制备四角氧化锌纳米结构。利用透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)对四角氧化锌纳米结构的形貌进行了详细的分析。我们能够观察到在四角氧化锌纳米结构的每个触角上都对称的存在一个宽度方向的突变。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)显示了氧化锌纳米结构的对称的四个触角,每个触角都是沿着[0001]方向(即氧化新的易生长方向)生长。TEM对所制备的四角氧化锌纳米结构的形貌观察表明该纳米结构的表面光滑,且在纳米结构的端部没有球状的颗粒存在,说明本方法合成的四角氧化锌纳米结构部是由气-液-固(VLS)或溶液-液体-固体(SLS)法生长机制生长。引用其它文献类似的结构,对四角氧化锌纳米结构的生成认定为气体-固体(VS)法生长机制。室温光致发光光谱显示氧化锌在388.5处有一窄带,在504.5处有一宽带,分别对应紫外(UV)波段和可见波段的绿光发光。紫外波段可能是由于带边的激发引起,而可见波段的绿光是由氧化锌内部所缺陷造成的。我们设计了实验表明,四角氧化锌纳米结构的可见波段的绿光发光和纳米结构中氧空位的存在有着密切的关系。
第三章,我们采用一种新颖的简便方法,即在纯N2气和O2气的气氛下蒸发SnO和Zn的混合粉末的方法,合成出大量的,几何形态规则的、具有纤维矿结构的孪晶氧化锌纳米线结构。利用该方法大规模的制备出高纯度、高产率、无颗粒和尺寸分布较均匀的孪晶氧化锌纳米线。用XRD、TEM、HRTEM和SAED对孪晶氧化锌纳米线进行了分析。我们可以观察到这些孪晶纳米线的宽度在100nm到500nm之间,长度已经达到的微米量级,甚至有些纳米线达到毫米两级。根据能谱分析以及TEM分析,我们可以清晰地观察到球形金属催化剂的存在,这是气相-液相-固相法(VLS)机制的主要特征。除了氧化锌孪晶纳米线之外,我们还发现少量单晶氧化锌纳米线的存在,以及聚片氧化锌孪晶纳米结构的存在,它们需要我们进一步分析和研究。
第四章,对本文的主要工作进行了总结。