纳米硅的合成、表征以及光学性能研究

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1、摘要硅纳米材料因量子尺寸限制效应影响而具有独特的光电特性，在纳米电子器件方面及生物医药领域具广泛的应用前景，然而低维硅纳米材料的制备研究存在不足严重不足。对于硅纳米线阵列，如何制备出尺寸更小的纳米线团簇阵列对于纳米器件的开发具有重要意义。对硅纳米线的研究，研制高产量、结晶性好、尺寸均匀且具有光学可调性的纳米线是现阶段研究的要点。而硅量子点的合成则存在着尺寸不可调控、形貌不均匀、分散性不好、稳定性不高等问题，同时硅量子点的发光机理研究也不成熟。针对于这些问题，本文分别对硅纳米线阵列、一维硅纳米线和零维硅量子点展开研究。采用无电金属

2、沉积，通过控制沉积溶液HF／AgN03的浓度及沉积时间，在硅片表面形成不同形貌的纳米银；在HF／H202刻蚀液中纳米银与硅片形成微电化学电池，该化学刻蚀单晶硅片的方法制备出不同形貌的硅纳米线阵列。采用SEM分析纳米银的形貌以及硅纳米线阵列的微观结构，并讨论了两者之间的影响，即纳米银的形貌和刻蚀溶液决定了硅纳米线阵列的尺寸以及形貌。采用新型的具有垂直反应腔体的高频感应炉，通过调节工艺参数如原料配比、升温速率、载气类型以及气流速度，制备出高产量、高结晶性的硅纳米线。采用XRD、SEM、TEM以及HRTEM等手段分析表征硅纳米线产物的

3、微观结构，结果表明热蒸发法可以制备大量的、直径均一的硅纳米线。探讨了工艺参数对低维硅纳米产物尺寸和形貌的影响，深入研究了一维硅纳米结构的生长机理。FTIR证明硅纳米线表面由Si．O化学键覆盖，而HF浸泡洗涤可有效地除去表面氧化层。采用光致发光谱以及紫外可见吸收光谱研究硅纳米线的光学性能，结果表明硅纳米线因受量子尺寸效应而发生光谱蓝移。采用可控化学刻蚀纳米线的方法，将一维硅纳米线转换为尺寸可调控的零维硅量子点。TEM和HRTEM显示化学刻蚀法可获得大量的、尺寸均匀且结晶性很好的硅量子点，这些量子点直径大约4nm，接近激子波尔半径。

4、TEM观测分析了硅纳米线在可控刻蚀条件下的结构演变过程，探讨了不同刻蚀条件下由硅纳米线到硅量子点的转变过程，揭示了硅纳米线转变为硅量子点的机理，建立了其生长模型。FTIR分析说明Si．O比Si．H具有较好的稳定性，氧封端的硅量子点在水中具有好的分散性。硅量子点的光学性能研究说明量子尺寸效应直接导致光谱蓝移，氧封端的硅量子点在水溶液中具有较好的稳定性。这种尺寸均匀、分散性好、水溶性硅量子点可在生物领域获得广泛的应用前景。关键词：硅纳米线；硅量子点；微观结构；光致发光；紫外可见吸收HABSTRACTDuetothesize—depe

5、ndentquantumconfinement，Sinanowiresarrays(SiNAs)，Sinanowires(SiNWs)andSiquantumdots(SiQDs)havereceivedintensiveinterestsinrecentyearsfortheirvaluableelectricalandopticalpropeaies，aswellastheirpotentialapplicationsinnanoscaleelectronicandphotonicdevicesandbiologicalan

6、dmedicalarea．Size—tunablenanostructuredSiwithbettercrystallinityandmorphologyandpropertyiscriticalforfurtherapplications．However,systematicalresearchesonconvenientsynthesisofnanostructuredSiwithdemandedcharacterareinseriousrequirement．Inthispaper,wefocusourresearchon

7、SiNAs，SiNWsandSiQDs．WefabricatedalignedSinanowiresarraysbychemicaletchingcrystalSiwafersusingHFandH202etchingsolution．SilvernanostmctureswereobtainedviaanelectrolessmetaldepositionprocessinaqueousHFandAgN03solution．AsCanbeseeninSEMimages，themorphologyoftheetchedSisub

8、stratesdependsstronglyontheconcentrationoftheetchingsolutionandthemicrostructureofthesilverdepositedonSiwafer．It’Sbelievedthatthemo