硅纳米孔柱阵列及其金/铜复合体系的制备、结构与场发射特性

【作者】 富笑男；

【导师】 李新建；

【作者基本信息】 郑州大学 ， 凝聚态物理， 2006， 博士

【摘要】 近年来，以纳米硅为模板制备纳米材料得到了广泛的研究。以纳米硅为模板组装纳米材料的优势在于：一方面，这种技术可以与硅平面工艺结合，为硅基光电子集成服务，另一方面，利用纳米硅材料表面的形貌和结构特征以及其物理、化学特性，在其上复合其它的纳米材料以期制备出一些性能优良的新材料。因此，纳米硅膜板的表面形貌和结构是制备纳米材料的关键。本文制备了一种新型的纳米硅模板，并以此为模板制备了各种纳米贵金属膜。本文的研究内容如下： 1．采用水热技术制备了硅纳米孔柱阵列(Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA)。Si-NPA是一种新型的硅微米／纳米结构复合体系。它的结构复合性表现为它在微米和纳米两个尺度上形成了三个分明的结构层次，即微米尺度的硅柱所组成的规则阵列、硅柱表面密集分布的纳米孔以及组成孔壁的硅纳米单晶颗粒。 2．利用浸渍技术在Si-NPA上制备了Au／Si-NPA。分别在新鲜和老化的Si-NPA衬底上制备了Au／Si-NPA。由于两组衬底表面的含氧量的不同，使得在这两种衬底上形成的Au／Si-NPA的表面形貌有所不同。在老化Si-NPA上，由于在柱间低谷区域的含氧量较低，金颗粒主要沉积在这些区域，并聚集形成准周期的纳米金的网络膜；而在新鲜Si-NPA上，由于整个样品的表面氧的含量都很低，因此，金颗粒则是均匀的沉积在整个Si-NPA上。只是在不同的区域沉积金颗粒的尺寸和疏密程度不同。 3．研究了Si-NPA在制备纳米贵金属薄膜过程中的作用。以Si-NPA为模板通过浸渍技术我们分别制备了Au／Si-NPA、Cu／Si-NPA以及自支撑Au／Si-NPA和纳米金膜。发现制备条件、沉积衬底以及沉积金属的不同，得到的纳米金属薄膜的表面形貌不同。尽管制备的纳米贵金属膜的表面形貌各异，但是，Si-NPA在这些制备过程中都是起着同样的双重作用。首先，Si-NPA具有还原作用。由于Si-NPA存在大量的硅纳米晶粒，使它具有高的表面活性和强的还原性。其次，Si-NPA还具有模板作用。由于Si-NPA具有规则的阵列结构，结构的规则性势必引起表面应力及表面电位分布的规则性，从而使得贵金属在Si-NPA上表面的沉积速度产生选择性。最终形成准周期的、规则的贵金属更多还原

【Abstract】 Recently, nanostructured silicon as templates in creating other nanomaterials has been widely studied. On the one hand, nanostructured silicon is compatible with conventional silicon microtechnology. So silicon-based nanomaterials fabricated on nanostructured silicon template can be applied in electronic and optical device in future. On the other hand, hiring unique morphology, structure and properties of nanostructured silicon, new specially patterned, structured or functionalized nanomaterials can be prepared on nanostructured silicon. Therefore, the morphology and structure of nanostructured silicon are important to fabricate nanomaterials. In the thesis, a new nanostructured silicon template is reported, and hiring it as template, nanostructured noble metal thin films are obtained through immersion plating method. The main conclusion in the thesis can be summarized as follows:1. Si-NPA (silicon nanoporous pillar array) is prepared by hydrothermal etching. Si-NPA is a silicon micro/nanometer structural composite system composed of triple hierarchical structures in micro and nanometer dimension, i. e., regular silicon pillar array, densely distributed nanopores on each silicon pillar, and the crystalline silicon nanoparticals composing the walls of nanopores.2. Au/Si-NPA is fabricated on Si-NPA by immersion technique. Morphologies of Au/Si-NPA fabricated on fresh and aged Si-NPA substrates, respectively, are very different due to the difference of quantities containing oxygen on the surface of fresh and aged Si-NPA. On aged Si-NPA surface, large quantities of Au particles are deposited at the valley around the silicon pillars, where the atom ratio of oxygen is relatively low. And regularly, nanostructured Au network is formed. On fresh Si-NPA surface, Au particles are deposited at every site, where the atom ratios of oxygen are low. However, size and compatibility of Au particles at different sites is different.3. The function of Si-NPA in preparing nanostructed metal film process is researched. nanostructed metal films including Au/Si-NPA, Cu/Si-NPA, and self-supported更多还原