半導(dǎo)體納米材料的制備方法

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1、天津理工大學(xué)摘要：討論了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要的幾種半導(dǎo)體納米材料的制備工藝技術(shù),包括物理法和化學(xué)法兩大類下的幾種，機(jī)械球磨法、磁控濺射法、靜電紡絲法、溶膠凝膠法、微乳液法、模板法等,并分析了以上幾種納米材料制備技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)關(guān)鍵詞:半導(dǎo)體納米粒子性質(zhì)；半導(dǎo)體納米材料；溶膠一凝膠法;機(jī)械球磨法；磁控濺射法；靜電紡絲法；微乳液法；模板法；金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積引言半導(dǎo)體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內(nèi)）。相對(duì)于導(dǎo)體材料而言,半導(dǎo)體中的電子動(dòng)能較低,有較長(zhǎng)的德布羅意波長(zhǎng),對(duì)空間限域比較敏感

2、。半導(dǎo)體材料空間中某一方向的尺寸限制與電子的德布羅意波長(zhǎng)可比擬時(shí),電子的運(yùn)動(dòng)被量子化地限制在離散的本征態(tài),從而失去一個(gè)空間自由度或者說(shuō)減少了一維,通常適用體材料的電子的粒子行為在此材料中不再適用。這種自然界不存在,通過(guò)能帶工程人工制造的新型功能材料叫做半導(dǎo)體納米材料。現(xiàn)已知道,半導(dǎo)體納米粒子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)(原子疇尺寸小于100nm,大比例原子處于晶界環(huán)境,各疇之間存在相互作用等)是導(dǎo)致半導(dǎo)體納米材料具有特殊性質(zhì)的根本原因。半導(dǎo)體納米材料獨(dú)特的質(zhì)使其將在未來(lái)的各種功能器件中發(fā)揮重要作用,半導(dǎo)體納米材料的制備是目前研究的熱點(diǎn)之一。本文討論了半導(dǎo)體納米材料的性質(zhì),綜述了幾種化學(xué)法制備半導(dǎo)體納米

3、材料的原理和特點(diǎn)。天津理工大學(xué)2.半導(dǎo)體納米粒子的基本性質(zhì)2.1表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積/體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說(shuō)明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100平方米，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。隨著納米材料粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。例如當(dāng)粒徑為10nm時(shí)，表面原子數(shù)為完整晶粒原子總數(shù)的20%；而粒徑為1nm時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)增大到99%；此時(shí)組成該納

4、米晶粒的所有約30個(gè)原子幾乎全部分布在表面。由于表面原子周圍缺少相鄰的原子：有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。隨著粒徑的減小，納米材料的表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒（直徑為2*10-3微米）進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒(méi)有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多李晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒

5、結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。因此想要獲得發(fā)光效率高的納米材料，采用適當(dāng)?shù)姆椒ê铣杀砻嫱旰玫陌雽?dǎo)體材料很重要。2.2量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)--是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或者能隙變寬的現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時(shí)，導(dǎo)致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與常規(guī)材料有顯著的不同。當(dāng)半導(dǎo)體材料從體相減小到某一臨界尺寸(如與電子的德布羅意波長(zhǎng)、電子的非彈性散射平均自由程和體相激子的玻爾半徑相等)以后,其中的電子、空穴和激子等載流子的運(yùn)動(dòng)將受到強(qiáng)量子封天津理工大學(xué)閉性的限制，同時(shí)導(dǎo)致其能量的增加，與此相應(yīng)

6、的電子結(jié)構(gòu)也從體相的連續(xù)能帶結(jié)構(gòu)變成類似于分子的準(zhǔn)分裂能級(jí),使原來(lái)的能隙變寬，即光吸收譜向短波方向移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí),超微顆粒就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性,客觀表現(xiàn)為光譜線會(huì)向短波方向移動(dòng)，催化活性變化。XuSh-ming等[2]測(cè)定其合成的半導(dǎo)體納米線陣列的紫外可見(jiàn)吸收光譜表明,隨著半導(dǎo)體納米線直徑減小，其吸收邊相對(duì)于體相藍(lán)移的幅度增加，顯示了明顯的量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)是未來(lái)微電子、光電子器件的基礎(chǔ),當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微小化時(shí)，必須考慮量子效應(yīng)。2.3介電限域效應(yīng)當(dāng)用電容率較小的材料修飾半導(dǎo)體納米材料表面時(shí)，帶電的半

7、導(dǎo)體納米粒子發(fā)出的電場(chǎng)線很容易穿過(guò)電容率比自己小的包覆層。因此，屏蔽效應(yīng)減小，帶電粒子間的庫(kù)侖作用力增強(qiáng)，結(jié)果增強(qiáng)了激子的結(jié)合能和振子強(qiáng)度，引起量子點(diǎn)電子結(jié)構(gòu)變化。量子點(diǎn)中的電子、空穴和激子等載流子受之影響，這種現(xiàn)象稱為介電限域效應(yīng)。對(duì)于超微粒子來(lái)說(shuō)，隨著粒徑減小，和塊體相比紅移和藍(lán)移同時(shí)起作用，一般導(dǎo)致藍(lán)移的電子2空穴空間限域起主導(dǎo)作用，因而主要觀察到的為量子尺寸效應(yīng)。但是當(dāng)對(duì)超微粒表面進(jìn)行化學(xué)修飾后，如果半導(dǎo)體材料和包覆材料的介電常數(shù)相差較