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低维难熔金属氧化物微/纳米结构的制备及其性能的研究

作　者: 刘新利
导　师: 贺跃辉
学　校: 中南大学
专　业: 材料学
关键词: 气相沉积法 氧化钼 氧化钨 低维纳米材料 光学性能 场发射性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 37次
引　用: 1次
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内容摘要


过渡族金属氧化物的纳米材料因其独特的物理化学性质,在催化、传感、光学、磁学和电学等领域显示广泛的应用前景。制备金属氧化物的低维纳米材料、探索其生长机制、进而实现对尺寸、维度的调控,对于深入研究形貌与结构的关联、最终实现按照人们的意愿设计合成具有特殊结构和性能的材料具有重要意义。本论文在氧化钼、钨低维纳米结构合成新方法的设计、形成机制及性能等方面进行了探索研究。论文的主要研究结果如下：(1)提出了制备低维Mo02微／纳米结构的新方法。以Mo03粉末和石墨为原料,在氮气气氛中,加热到850℃通过气相沉积方法在硅基底表面得到具有不同形貌的Mo02微／纳米结构体,包括枝晶、微／纳米片和晶须。主要产物为单晶Mo02微／纳米片,形貌呈矩形,长宽在几微米到几十微米之间,厚度在200nm左右,具有单斜结构。硅片上产物的不同形貌主要是由于气相反应物的浓度引起的。中等的气相反应物浓度是MoO2微/纳米片产物的主要原因。MoO2微/纳米片优先沿<010>和<101>生长,保证了MoO2微/纳米片的表面能最低。(2)采用一种简单的气相方法在钨基片表面大规模合成出氧化钨单晶微/纳米棒阵列,氧化钨微/纳米棒具有完好的单斜单晶结构,沿<010>方向生长。论文系统地研究了生长温度、钨片位置、保温时间和水浴温度对氧化钨微/纳米结构形成的影响。研究表明：在同一温度下,离气源出口较近的地方所形成的产物为氧化钨微/纳米带,直径大于1μm,长度为几十微米；但在离气源出口远些的地方得到的氧化钨微/纳米棒的长度较短；随保温时间的延长,钨片上得到的氧化钨微/纳米棒阵列密度和长度都逐渐增大；温度升高使得氧化钨微/纳米棒的阵列密度提高,直径增大；没有加水浴时,得到的氧化钨微/纳米棒阵列密度较低,长度较短。水浴温度为60℃时,得到很粗的氧化钨微米棒。一维氧化钨微/纳米结构的生长过程可以由Vapor-Solid机制解释。(3)MoO2微/纳米片在200～300nm的紫外光范围有强的吸收带,通过计算得到MoO2微.纳米片的带隙宽度为4.22eV。在304.6nm(4.1 eV),343.5 nm(3.62 eV)、350.6 nm(3.54 eV)处有较强的发光峰。判定304.6nm(4.1 eV)处的发光峰是由于电子在导带和价带间跃迁产生的,而其它两个发光峰是由于氧空位等缺陷造成的。(4)对不同温度下生长的氧化钨微/纳米棒的场发射性能做了研究。研究表明：在900℃下生长的氧化钨微/纳米棒具有最低的开启场强值5.37 V/μm,而800,850,950℃制备的氧化钨微/纳米棒的开启场强分别为10.2,9.00和10.1V/μm。其开启场强的差异主要是由于样品表面的氧化钨微/纳米棒具有不同的阵列密度和直径造成的。制备的氧化钨微/纳米棒的F-N曲线具有很好的线性关系,符合Fowler-Nordheim理论,求得的场增强因子分别为976,1094,1913和763；本研究得到具有较好场发射性能的微/纳米棒,在场发射微电子装置,如场发射显示器,微波放大器方面都有潜在的应用价值。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-23
  1.1 引言  9-10
  1.2 低维氧化铝纳米材料的研究进展  10-14
    1.2.1 低维氧化钼纳米材料的制备方法  10-12
    1.2.2 低维氧化钼纳米材料的性能及应用  12-14
  1.3 低维氧化钨纳米材料的研究进展  14-22
    1.3.1 低维氧化钨纳米材料的制备方法  14-16
    1.3.2 低维氧化钨纳米材料的性能  16-19
    1.3.3 低维氧化钨纳米材料的应用  19-22
  1.4 本文研究内容及其意义  22-23
第二章 合成工艺与表征手段  23-29
  2.1 前言  23
  2.2 实验原料及设备  23-24
    2.2.1 实验用料  23-24
    2.2.2 实验主要设备  24
  2.3 实验过程  24-25
    2.3.1 MoO_2微/纳米片的制备工艺  24
    2.3.2 W_(18)O_(49)微/纳米棒的制备工艺  24-25
  2.4 主要分析测试手段及目的  25-29
    2.4.1 扫描电子显微镜分析  25-26
    2.4.2 X射线衍射分析  26
    2.4.3 能谱分析  26
    2.4.4 透射电子显微镜分析  26
    2.4.5 光学性能测试  26-28
    2.4.6 场发射性能测试  28-29
第三章 MoO_2微/纳米片的表征及生长机理研究  29-36
  3.1 引言  29
  3.2 MoO_2微/纳米片的形貌及结构表征  29-33
  3.3 MoO_2微/纳米片的生长机理探讨  33-35
    3.3.1 发生的化学反应  33-34
    3.3.2 MoO_2微/纳米结构的生长机理分析  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 氧化钨微/纳米棒的表征及生长机理研究  36-47
  4.1 引言  36
  4.2 氧化钨微/纳米棒阵列的表征  36-39
  4.3 实验参数对生长氧化钨微/纳米棒阵列的影响  39-44
    4.3.1 生长温度的影响  39-41
    4.3.2 钨片位置的影响  41-43
    4.3.3 保温时间的影响  43-44
    4.3.4 水浴的影响  44
  4.4 氧化钨微/纳米棒的生长机理  44-46
    4.4.1 生长机制的确定  44-45
    4.4.2 氧化钨微/纳米棒的形成过程  45-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章 难熔金属Mo、W氧化物微/纳米结构的性能表征  47-58
  5.1 MoO_2微/纳米片的光学性能表征  47-51
    5.1.1 MoO_2微/纳米片的吸收光谱  48-50
    5.1.2 MoO_2微/纳米片的光致发光光谱  50-51
  5.2 氧化钨微/纳米棒的场发射性能表征  51-56
    5.2.1 场电子发射的理论基础  51-53
    5.2.2 场发射性能的评价标准  53-54
    5.2.3 氧化钨微/纳米棒阵列的场发射性能  54-56
  5.3 本章小结  56-58
第六章 主要结论  58-59
参考文献  59-70
致谢  70-71
攻读硕士学位期间主要的研究成果  71

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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