半導體納米材料的制備方法

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1、天津理工大學摘要：討論了當前國內外主要的幾種半導體納米材料的制備工藝技術,包括物理法和化學法兩大類下的幾種，機械球磨法、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的優(yōu)缺點關鍵詞:半導體納米粒子性質；半導體納米材料；溶膠一凝膠法;機械球磨法；磁控濺射法；靜電紡絲法；微乳液法；模板法；金屬有機物化學氣相淀積引言半導體材料（semiconductormaterial）是一類具有半導體性能（導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在1mΩ·cm～1GΩ·cm范圍內）。相對于導體材料而言,半導體中的電子動能較低,有較長的德布羅意波長,對空間限域比較敏感

2、。半導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可比擬時,電子的運動被量子化地限制在離散的本征態(tài),從而失去一個空間自由度或者說減少了一維,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,通過能帶工程人工制造的新型功能材料叫做半導體納米材料。現(xiàn)已知道,半導體納米粒子結構上的特點(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)是導致半導體納米材料具有特殊性質的根本原因。半導體納米材料獨特的質使其將在未來的各種功能器件中發(fā)揮重要作用,半導體納米材料的制備是目前研究的熱點之一。本文討論了半導體納米材料的性質,綜述了幾種化學法制備半導體納米

3、材料的原理和特點。天津理工大學2.半導體納米粒子的基本性質2.1表面效應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，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分數(shù)將會顯著地增加。對直徑大于0.1微米的顆粒表面效應可忽略不計，當尺寸小于0.1微米時，其表面原子百分數(shù)激劇增長，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100平方米，這時的表面效應將不容忽略。隨著納米材料粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加。例如當粒徑為10nm時，表面原子數(shù)為完整晶粒原子總數(shù)的20%；而粒徑為1nm時，其表面原子百分數(shù)增大到99%；此時組成該納

4、米晶粒的所有約30個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，易與其他原子相結合而穩(wěn)定下來，故表現(xiàn)出很高的化學活性。隨著粒徑的減小，納米材料的表面積、表面能及表面結合能都迅速增大。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金超微顆粒（直徑為2*10-3微米）進行電視攝像，實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（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，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒

5、結構的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結構狀態(tài)。因此想要獲得發(fā)光效率高的納米材料，采用適當?shù)姆椒ê铣杀砻嫱旰玫陌雽w材料很重要。2.2量子尺寸效應量子尺寸效應--是指當粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導致了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導特性與常規(guī)材料有顯著的不同。當半導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、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動將受到強量子封天津理工大學閉性的限制，同時導致其能量的增加，與此相應

6、的電子結構也從體相的連續(xù)能帶結構變成類似于分子的準分裂能級,使原來的能隙變寬，即光吸收譜向短波方向移動，這就是量子尺寸效應。當熱能、電場能或磁場能比平均的能級間距還小時,超微顆粒就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性,客觀表現(xiàn)為光譜線會向短波方向移動，催化活性變化。XuSh-ming等[2]測定其合成的半導體納米線陣列的紫外可見吸收光譜表明,隨著半導體納米線直徑減小，其吸收邊相對于體相藍移的幅度增加，顯示了明顯的量子尺寸效應。量子尺寸效應是未來微電子、光電子器件的基礎,當微電子器件進一步微小化時，必須考慮量子效應。2.3介電限域效應當用電容率較小的材料修飾半導體納米材料表面時，帶電的半

7、導體納米粒子發(fā)出的電場線很容易穿過電容率比自己小的包覆層。因此，屏蔽效應減小，帶電粒子間的庫侖作用力增強，結果增強了激子的結合能和振子強度，引起量子點電子結構變化。量子點中的電子、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。對于超微粒子來說，隨著粒徑減小，和塊體相比紅移和藍移同時起作用，一般導致藍移的電子2空穴空間限域起主導作用，因而主要觀察到的為量子尺寸效應。但是當對超微粒表面進行化學修飾后，如果半導體材料和包覆材料的介電常數(shù)相差較