硼和硼化物一維納米材料的制備與表征.pdf

1、一維納米材料以其小的直徑、大的長(zhǎng)徑比、高的各向異性、奇異的結(jié)構(gòu)和奇特的性能吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者極大的興趣，可能成為未來(lái)信息、能源領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，是國(guó)際材料研究的前沿領(lǐng)域。目前，研究較多的一維納米材料主要是碳、硅、ZnO、CdS等，其中納米碳管最為引人注目。除此之外，國(guó)際上研究者正在探索新的一維納米材料的制備技術(shù)和性能特征。 硼元素由于具有很強(qiáng)的成鍵本領(lǐng)，以及其單質(zhì)和化合物具有復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)，在無(wú)機(jī)化學(xué)方面占有獨(dú)特的地位。從發(fā)展看，硼

2、化學(xué)有可能與碳化學(xué)媲美，形成另一個(gè)獨(dú)立的化學(xué)領(lǐng)域。但是，人們對(duì)硼的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)了解甚少，特別是硼及其化合物的一維納米結(jié)構(gòu)。雖然部分硼的一維納米結(jié)構(gòu)(如硼納米線、納米管)已經(jīng)被成功制備，但是對(duì)它們制備條件和生長(zhǎng)機(jī)理的系統(tǒng)研究還沒(méi)有進(jìn)行，同時(shí)，硼及硼化物的一維納米結(jié)構(gòu)的形貌和結(jié)構(gòu)的控制、陣列化制備和量產(chǎn)等問(wèn)題，對(duì)研究者而言仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 本論文在調(diào)研和綜述了目前硼和硼化物一維納米材料的制備和性能研究主要成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了非晶

3、硼納米線、單晶硼納米線、二硼化鎂納米線、硼酸鋁和硼酸鎂納米線等硼和硼化物一維納米材料的制備與表征，取得了一系列的創(chuàng)新性結(jié)果： 采用兩步陽(yáng)極氧化法制備的多孔氧化鋁模板(NCA)做襯底，利用CVD法熱解乙硼烷，制備了陣列化單晶α—四方硼納米線，納米線直徑20-60nm，生長(zhǎng)方向沿模板孔徑，和膜面垂直。通過(guò)改變陽(yáng)極氧化電壓，調(diào)節(jié)模板孔徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硼納米線的直徑調(diào)節(jié)。 采用CVD法，在硅片上生長(zhǎng)了非晶硼納米線和納米鏈，研究了溫度

4、、壓強(qiáng)等對(duì)納米線形貌的影響，發(fā)現(xiàn)了硼納米線形貌的溫度依賴(lài)性，利用楊氏方程和正反饋機(jī)理，解釋了硼納米線形貌的溫度依賴(lài)性和硼納米鏈的形成原因。 使用Al做催化劑，在硅片上得到了準(zhǔn)陣列化的單晶硼納米棒；并詳細(xì)研究了溫度、壓強(qiáng)、催化劑厚度等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)納米線形貌和結(jié)構(gòu)的影響。綜合分析硅片上非晶硼納米線和晶體硼納米棒的實(shí)驗(yàn)，提出了硼納米線底部和頂部VLS生長(zhǎng)機(jī)理。結(jié)合熱動(dòng)力學(xué)知識(shí)，從理論上定性解釋了硼一維納米材料選擇底部或頂部VLS生長(zhǎng)機(jī)理

5、的原因。 通過(guò)熱蒸發(fā)硼粉或硼和氧化硼的混合粉末，制備了硼納米線；并將硼納米線和氧化鋅納米線的制備結(jié)合起來(lái)，通過(guò)兩步熱蒸發(fā)，得到了ZnO/B樹(shù)狀異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單、原材料無(wú)毒、產(chǎn)物產(chǎn)量大。論文還詳細(xì)研究了熱蒸發(fā)源溫度、氣體流量、收集溫度等對(duì)產(chǎn)物形貌和結(jié)構(gòu)的影響：1200℃及以上熱蒸發(fā)，高溫端收集得到的是六方結(jié)構(gòu)硼，低溫端收集得到的是四方結(jié)構(gòu)硼；熱蒸發(fā)溫度低于1200℃時(shí)只能得到非晶硼納米線。論文并利用高分辨透射電鏡(

6、HRTEM)和Raman光譜，研究了硼納米線的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)方向、生長(zhǎng)機(jī)理和光學(xué)性能。 利用CVD法制備的陣列化單晶硼納米線作為前驅(qū)體，在密封小石英管中和Mg粉反應(yīng)，得到了陣列化六方相單晶MgB2納米線，納米線直徑20-150nm，比硼納米線直徑略粗。磁性測(cè)量表明MgB2納米線有麥斯納效應(yīng)，具有超導(dǎo)特性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為33K，略低于MgB2塊體的轉(zhuǎn)變溫度，這可能是由于少量的雜質(zhì)摻雜引起的。論文還在一步法合成MgB2的嘗試實(shí)驗(yàn)中，得

7、到了Mg3B2O6納米線和多種MgO微納結(jié)構(gòu)，研究了形成MgO微納結(jié)構(gòu)的影響因素和生長(zhǎng)機(jī)理，指出：Mg和MgO的晶體結(jié)構(gòu)、氣體種類(lèi)和溫度是決定MgO微納結(jié)構(gòu)形狀、實(shí)心或空心和尺寸大小的決定因素。 采用溶膠凝膠法制備了硼酸鎂納米棒和硼酸鋁納米線。將一定比例的金屬硝酸鹽、硼酸和檸檬酸配成溶液，低溫烘焙發(fā)泡成蓬松的多孔狀凝膠，將凝膠高溫煅燒即可得到硼酸鋁和硼酸鎂一維納米材料。研究發(fā)現(xiàn)：金屬硝酸鹽和硼酸的比例對(duì)生成的納米線/棒的直徑和長(zhǎng)