In2O3与WS2纳米线的制备、结构与物性

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一维半导体纳米材料在显示、发光、电池、磁性、场发射器件等多个领域拥有良好的应用前景,引起了人们广泛的关注。本文利用化学气相沉积(CVD)法成功制备了Cu-Sn共掺杂In2O3纳米线以及WS2纳米线。首先,我们对Cu-Sn共掺In2O3纳米线的晶体结构及性能进行分析,并进一步引入N元素调控共掺In2O3体系的结构与性能。其次,通过控制变量法来调控WS2纳米线的形貌,获得最佳制备工艺条件,进一步深入研究WS2纳米线的结构与性能。获得如下结论:(1)利用CVD法成功制备了Cu-Sn和Cu-Sn-N共掺In2O3纳米线。通过XRD、EDS和XAFS测试得出Cu、Sn和N原子能够很好地掺杂进入到In2O3的晶格中。SEM、TEM和SAED分析表明所有样品均具有良好的形貌且产物为单晶结构。XPS和AES测试结果表明In、Sn、Cu和N元素分别以In3+、Sn4+、Cu+和N3-离子态形式存在于In2O3的晶格中,O元素分别以晶格氧(O2-)和氧空位缺陷(Vo)这两种形式存在。场致电子发射测试(FE)显示制备的掺杂In2O3纳米线表现出良好的场发射性能,N元素的共掺杂有助于提高体系中场发射的稳定性。Cu-Sn共掺杂In2O3纳米线具有明显的室温铁磁有序,且N的共掺杂能显著增强室温铁磁性。由第一性原理计算分析得知,Sn的共掺杂能使Cu-O-Cu的反铁磁偶合转变为铁磁偶合,而N的共掺杂也会形成Cu-N-Cu的铁磁性偶合,从而增强体系铁磁性。可以断定,Cu-Sn以及Cu-Sn-N共掺In2O3纳米线样品中的室温铁磁性起源于氧空位相关的束缚磁极子机制以及Cu-N-Cu-Sn的超交换作用共同诱导。(2)利用CVD法制备出了WS2纳米线。通过SEM图像分析得出,反应温度850℃、气体流量60sccm、衬底位置2cm和反应时间60min为生长纳米线的最佳条件。XRD和Raman测试表明,样品中以六方相WS2为主,但也存在少量的WO3相。TEM、HRTEM、SAED和Mapping测试表明,生长的纳米线直径在200 nm左右,沿着〈100〉方向生长,具有非常高的结晶质量,纳米线的组成元素为W、S和O,且在纳米线中分布均匀。XPS深度剖析证实了生长的纳米线中存在WS2和WO3相。纳米线表面部分明显以WS2成分为主,随着Ar+刻蚀深度增加,WO3相增多,表明纳米线样品外表面相较于内层的WO3硫化的更彻底。场致电子发射(FE)性能测试表明:制备的纳米线表现出良好的场发射性能,开启场强和阈值场强分别为Eto=2.4V和Ethr=6.8V,且场发射性能具有很好的稳定性。光学显微镜(OM)展示出WS2纳米线在生长初期的形貌,该形貌的形成可能与反应源中的Na Cl有关,其能够降低反应源料熔点和改变生长方式。同时,我们运用VS机制具体解释了其生长过程。
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