鎢和氧化鎢準(zhǔn)一維微-納米結(jié)構(gòu)的低溫氣相合成及其生長(zhǎng)機(jī)理研究.pdf

1、自上世紀(jì)五十年代開(kāi)始，微米晶須材料，因?yàn)榫哂歇?dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)和極其優(yōu)異的力學(xué)性能，而成為材料學(xué)界的一個(gè)經(jīng)久不衰的研究熱點(diǎn)。目前，晶須已經(jīng)發(fā)展成為各種新型復(fù)合材料的主要補(bǔ)強(qiáng)增韌材料之一，而性能優(yōu)異的晶須材料的合成和生長(zhǎng)機(jī)理，以及顯微結(jié)構(gòu)分析等相關(guān)的基礎(chǔ)應(yīng)用研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。最近十多年間，直徑在100nm以下的納米晶須材料，如納米管、納米線、納米帶和納米同軸纜等，是納米科學(xué)與技術(shù)的研究和發(fā)展中最為前沿的材料。它們一方面可以作為納米科

2、技中制作微/納器件的基本構(gòu)件，另一方面還作為人們探究材料在納米尺度下的一些新特性和新功能提供一個(gè)巨大的平臺(tái)。 難熔金屬W的晶須材料，具有非常優(yōu)異的物理化學(xué)和力學(xué)性能，已有近半個(gè)世紀(jì)的研究歷史。但目前人們?nèi)匀粵](méi)有找到一種能進(jìn)行低成本和大批量合成W晶須的方法。氧化鎢準(zhǔn)一維微/納米結(jié)構(gòu)具有非常優(yōu)異的場(chǎng)電子發(fā)射性能和氣敏特性，在場(chǎng)電子發(fā)射器件和高性能敏感器件等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究了難熔金屬W及其氧化物的準(zhǔn)一維微/納米結(jié)構(gòu)

3、的氣相合成和生長(zhǎng)機(jī)理，主要的創(chuàng)新結(jié)果包括： (1)采用一種成本低廉、過(guò)程簡(jiǎn)單的氣相沉積方法，大批量地合成出具有各種特殊形貌的氧化鎢準(zhǔn)一維微/納米結(jié)構(gòu)，包括具有納米錐尖的微/納米針，納米線，納米帶和微米管等。合成的氧化鎢微米針具有非常獨(dú)特的幾何形貌與結(jié)構(gòu)特征(錐尖直徑小于10 nm，底部直徑大于1μm，長(zhǎng)度大于100μm，單晶結(jié)構(gòu))，有望能克服通常的準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)(如納米線和納米管)徑向機(jī)械強(qiáng)度較低和單操作性較差的弱點(diǎn)，是用作掃描

4、探針針尖，納米機(jī)械壓頭和鉆頭，以及新型的場(chǎng)電子發(fā)射針尖的理想材料。 (2)提出一種新的生長(zhǎng)機(jī)制-“基于CVD過(guò)程的聚合機(jī)制”-解釋氧化鎢微米管的形成過(guò)程。這種新的機(jī)制能被用來(lái)解釋其它多種材料的微米管狀結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，可能是一種形成微米管狀結(jié)構(gòu)的普適機(jī)制(3)分別采用Ni、Fe-Ni和Co-Ni作為催化劑，通過(guò)氣相方法在相對(duì)較低的850 ℃的溫度下(相對(duì)于難熔金屬W的熔點(diǎn)和W晶須的高溫合成方法)，成功地合成出難熔金屬W的納米和亞微

5、米晶須。本項(xiàng)研究首次從實(shí)驗(yàn)上，將開(kāi)創(chuàng)于半個(gè)世紀(jì)以前的金屬催化合成方法成功拓展到金屬晶須的生長(zhǎng)。這不僅為金屬W晶須的可控、大批量和低成本合成，及其物性研究打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)，也為人們夢(mèng)寐以求的金屬晶須的可控、大批量和低成本合成提供了一條新的思路。 (4)結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，提出“表面擴(kuò)散增強(qiáng)的氣.固.固(VSS)”模型來(lái)解釋金屬W晶須的催化生長(zhǎng)過(guò)程。為目前仍然存在爭(zhēng)議的VSS機(jī)制提供了一系列的新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并首次從實(shí)驗(yàn)上直

6、接證明，通過(guò)VSS機(jī)制不僅能合成出直徑在50 nm以下的納米晶須；還能合成出直徑遠(yuǎn)在100 nm以上的亞微米晶須，此外，還從理論上揭示了VSS模型中晶須生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程所具有的某些重要特征。 (5)采用無(wú)催化劑無(wú)模板輔助的氣相傳輸方法，在相對(duì)較低的900～1000 ℃下(相對(duì)于難熔金屬W的熔點(diǎn)和目前的W晶須的高溫合成方法)成功地合成出金屬W亞微米晶須及其陣列。合成的W晶須具有納米尺度的錐尖(<50 nm)和高長(zhǎng)徑比(>100)，

7、可能是一種非常理想的補(bǔ)強(qiáng)增韌劑和場(chǎng)電子發(fā)射材料。同時(shí)，本研究中所開(kāi)發(fā)的這種簡(jiǎn)單、低成本和大批量合成W晶須方法，不僅有望能延伸到其他金屬晶須(如Mo和Ta等)的合成，還可能進(jìn)一步拓展到金屬納米晶須陣列的合成。 (6)采用無(wú)催化劑無(wú)模板輔助的氣相傳輸方法合成出單晶W微米管，并提出了一種新的生長(zhǎng)機(jī)制一“表面擴(kuò)散誘導(dǎo)的自模板機(jī)制”-解釋所合成的單晶W微米管的形成過(guò)程。本研究中所采用的方法和提出的生長(zhǎng)機(jī)理可能同樣適用于其它單晶微米管狀結(jié)構(gòu)