硒碲化合物微纳米材料的可控合成、微结构分析与性能研究

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硒碲化合物纳米材料是一种重要的半导体材料,具有一系列优异的物理和化学性能,在光电磁纳米器件和生物医学等领域具有广阔的应用前景。材料的化学物质组成与微结构特征决定了材料的物理化学性质,如何在合成过程中实现对纳米材料的晶体结构、微观尺度、形貌、表面结构和能带结构的调控,将为实现材料性能的人工剪裁,深入系统研究材料结构与性能的关系具有重要的意义。相比于其它硒碲化合物半导体材料,锰和钴的硒碲化合物纳米材料的研究和应用还远远滞后。因此,系统地开发不同锰和钴的硒碲化合物纳米材料的合成技术,实现对它们晶体结构、形貌、尺寸和能带结构等的调控,深入研究它们的微结构与电子、磁学等性质之间的关系,开拓材料新的应用潜力,是一项十分迫切且具有挑战性的研究工作。本论文选取锰和钴的硒碲化合物纳米材料为研究对象,在探索微纳米尺度材料合成的新方法、新路线,深入研究材料微观结构、生长机理与电磁特性等方面做了很多有益的探索性研究。论文主要包括以下几部分内容:二硒化锰纳米棒的制备与微波吸收性能。利用简便的水热合成方法制备出高质量的单分散二硒化锰纳米棒。通过调节溶剂N,N-二甲基甲酰胺和表面活性剂聚乙烯基毗咯烷酮在反应中的用量,可以控制调节二硒化锰纳米棒的长径比在15~70之间。表面活性剂的钝化作用和溶剂的还原作用是控制合成的关键因素,对最终材料的晶相、形貌和尺寸都存在着一定的影响。进一步研究了不同长径比的二硒化锰纳米棒的微波吸收性能,发现长径比大的二硒化锰纳米棒在最大反射损耗强度和有效吸收带宽这两方面的表现都优于长径比小的纳米棒。二硒化钻三维多级微纳结构的制备与微波吸收性能。通过溶剂热法,在两种表面活性剂二乙烯三胺和十六烷基三甲基溴化铵对不同晶面的选择性吸附作用下,制备得到了二硒化钴三维多级微纳结构,平均直径在1-2 μm,该多级结构是由大量相互交错的纳米带或纳米片组装而成。详细考察了不同的反应条件对二硒化钴三维多级结构尺寸、形貌、晶体结构及其微波吸收性能的影响。在实验结果的基础上,重点研究了双表面活性剂对形成二硒化钴三维多级微纳结构的作用机理。对比了不同二硒化钴三维多级结构和一维纳米片状结构的反射损耗,发现毛线团状的二硒化钴三维多级结构确实表现出更优异的吸波性能,最高反射损耗达到-26.93 dB。纤锌矿硒化锰纳米晶的可控合成及其表面自旋相关的磁性质。采用热分解法,首次实现对纤锌矿硒化锰纳米晶的可控合成。成功制备得到对一系列单分散纤锌矿硒化锰纳米晶,包括子弹头状、水滴状、铅笔状、梭子状、四脚体状、火柴状等多种形貌。反应体系中不同表面活性剂对纤锌矿硒化锰晶面的选择性吸附作用及反应时间、温度、浓度等因素对调节产物形状起到了至关重要的作用。特别是,运用了先进的电镜表征技术,如透射电镜三位重构技术和原子级分辨的电子能量损失谱,对硒化锰纳米晶的微结构、晶面缺陷和生长机理进行了详细的探索和分析。磁性测试发现所合成的纤锌矿硒化锰纳米晶有特殊的低温铁磁行为,且阻塞温度与纳米晶的比表面积相关。二碲化锰纳米颗粒的合成探索与电子结构研究。首次成功合成二碲化锰纳米颗粒。在碲前驱体中加入强还原剂三乙基硼氢化锂对二碲化锰纳米晶的成功合成至关重要。改变锰前驱体中的采用的锰源和表面活性剂,可以得到无晶面缺陷和有晶面缺陷的二碲化锰纳米颗粒。对二碲化锰纳米晶的合成条件进行了充分探索,发现锰碲比、反应温度和时间对二碲化锰纳米颗粒的晶体结构、形貌、尺寸等有很大影响。运用原子级分辨的电子能量损失谱,详细分析了二碲化锰纳米晶的晶面缺陷和生长机理。基于密度泛函理论的材料模拟软件Wien2k和Castep,进一步研究了二碲化锰的能带结构和态密度,以及晶体缺陷和尺寸效应对其光吸收和电子结构的影响。
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