氧化硅纳米线水热合成、结构表征以及光学性质研究

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纳米线作为一种重要的一维材料,具有独特的(准)一维纳米结构、良好的组装性质(作为构筑单元)和丰富的物化性能,不仅为物质科学的基础研究提供了可贵的研究对象,也纳米器件的构筑提供了丰富的基础构件。因此,自上世纪九十年代后期起,纳米线的合成和性质研究得到了包括化学和物理等众多学科的关注,很多方法都被用来进行纳米线的制造,其中主要包括:1)利用固体固有的各向异性结晶结构来实现一维方向的生长,2)引进液.固界面降低结晶种子的对称性,例如利用V-L-S(蒸气.液相.固相)和S.L.S(溶液.液相.固相)机理等,3)利用各种模板(DNA或氧化铝等)来制备一维纳米结构,4)利用高分子保护剂,动力学控制材料的一维生长,5)0维纳米结构的自组装,和6)1维微结构的尺寸减小来制备纳米结构等。由于纳米材料科学发展很快,近几年来,新的合成方法还是被不断提出。 氧化硅纳米线是重要的一维纳米材料。近年来,很多方法都被用来进行氧化硅纳米线的制造,如化学气相沉积、激光烧蚀、热蒸发方法和碳热反应等,所涉及的机理包括V-L-S、V-S以及固.固转化反应等。但这些方法的共同弱点在于它们所涉及的严格条件和复杂操作,如高温(一般大于900℃)、预抽空、精细控制的载气组成、压力以及流速等。最近一些研究组也利用各种各样的预先设计的模板,如利用非硅组成的一维介孔材料,试图低温制备氧化硅纳米线,但其所涉及的复杂步骤以及模板在去除过程,往往导致较高的成本和纳米线损坏和污染。以上这些因素导致氧化硅纳米线无法实现工业化的批量生产,从而使得氧化硅纳米线的应用受到了局限。 本文提出了一种新的纳米线的合成方法和思路,气固相水热合成法。我们利用这个新方法合成了具有全新晶体结构的单晶氧化硅纳米线。相比较于其他氧化硅纳米线合成方法,这种方法操作简单,原料廉价,反应条件比较温和,生产出的氧化硅纳米线纯度很高。该方法的提出,将对实现氧化硅纳米线的工业化大规模生产有很大帮助。本文分作一下几个章节进行讨论: 第二章中,我们提出了利用BMS微球做硅源,铁帮助下的气固相水热合成氧化硅纳米线的方法。然后,我们针对全新的氧化硅纳米线晶体结构,我们通过XRD精修和全谱拟合来测定我们的氧化硅纳米线的晶体结构。并且又通过高放大倍数透射电镜拍摄不同晶面晶格,然后通过计算模拟,再和XRD图谱进行对照,进一步来验证XRD精修和全谱拟合得到的晶体结构的正确性。 第三章中,利用我们课题组长期以来使用的层叠层的技术,将纳米沸石吸附在不锈钢网,通过第一章所使用的气固相水热处理法,在不锈钢网上的表面,原位合成了不同形貌的、肉眼可见的晶体氧化硅纳米线的薄膜。这种直接在不锈钢网上原位合成不同排列的氧化硅纳米线,会更加有利于这种材料的日后的器件化。此外,为了进一步降低成本,使用白炭黑和SBA一15做硅源合成氧化硅纳米线。这种氧化硅纳米线和第二章中的纳米线具有一样晶体结构。说明了这种方法对不同的无定型氧化硅具有普适性。 第四章中,通过研究各种反应条件的变化对氧化硅纳米线生长的影响,对气固相水热合成氧化硅纳米线的机理进行初步探讨。这部分的工作还不完善,需要日后进行详细讨论研究。 由于氧化硅材料一直以来都是一种人们所关注的很好的荧光材料。因此,在第五章中,对氧化硅纳米线的光致发蓝光的性质进行了详细的研究。
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