准一维纳米结构的电子显微学研究

电子显微学报980514

电子显微学报

科技期刊

Journal of Chinese Electron Microscopy Society

1998年 第十七卷　第五期（总第79期）

准一维纳米结构的电子显微学研究

白志刚　张洪洲　丁　杭青岭　俞大鹏　冯孙齐

(北京大学电子光学及电子显微镜实验室，北京 100871)

(北京大学物理系介观物理国家重点实验室，北京 100871)

自从1991年，Iijima发现纳米碳管［1］以来，一系列准一维纳米材料被相继用不同

方法合成出来。由于其独特的结构特性和因此而具有的不同于体材料的新颖的物理性

质，这些准一维纳米材料有着很大的基础研究价值和潜在的应用价值，因而受到人们

的广泛研究和关注。

最近，我们利用脉冲激光沉积及物理蒸发的方法，合成出了硅纳米线(SiNW)［2，

3］及GeO-2纳米线(GeONW)，并利用X射线衍射、透射电镜(包括EDS)等手段对这些材

料的化学组成、形态、显微结构、缺陷和生长机理等进行了研究。

将Si粉(纯度99%)和Fe粉按重量比95∶5混合，热压成靶，放在一根由高温管式电炉

加热，可抽负压的石英管内，在流动的Ar气氛下(压力2.67×104Pa)，1200℃高温下蒸

发，得到了一种暗黄色海绵状产物，该产物即为硅纳米线。我们发现，用激光蒸发或

简单的物理升华法，都能得到硅纳米线，两种情况下产物的形态、结构完全相同；而

且，这种方法具有很好的可重复性。图1为典型的硅纳米线低倍透射电子显微像。由图

中可见，硅纳米线为表面光滑的准一维结构，且纯度极高(～99%)，直径分布均匀

(15nm±3nm)，长度从几十到几百微米。图1左上角插图为硅纳米线的选区电子衍射(SAED)花样，为典型的多晶硅衍射环，其中前三个环分别对应于｛111｝、｛220｝和

｛311｝平面族的衍射，相应的晶面间距分别为0.31nm,0^19nm和0.16nm。X射线衍射结

果显示，硅纳米线的全部衍射峰与多晶硅粉末不仅位置完全相同，相对强度也完全一

致。这进一步说明硅纳米线与大块硅结构相同。根据X射线衍射最强峰计算，硅纳米

线的晶格常数较大块硅有些轻微膨胀(～0.4%)。

高分辨透射电镜分析(HREM)给出硅纳米线更多的结构细节。图2为单根硅纳米线

的HREM像。图中可见一维和二维的{111}晶格条纹，对应晶面间距为0.31nm。从图中

可以看出，在硅纳米线的外面有一层厚2—3nm的非晶层，估计来源于因暴露空气而导

致的表面氧化，这层非晶可用稀HF溶液溶掉。对大量硅纳米线的HREM观察结果的统

计表明，硅纳米线的一般生长方向为〈112〉方向。这与传统的VLS(vapor-liquid-solids)

晶体生长模型［5］中硅的〈111〉生长方向有所不同。另外，HREM分析还显示，在硅

纳米线中存在大量的层错、微孪晶和小角晶界等结构缺陷。这些结构缺陷被认为与硅

纳米线的成核、生长及其形貌有密切的关系［4］。以上这些证据使我们认为，硅纳米

线是按一种不同于VLS模型的机制生长；在这种机制中，结构缺陷及原子气团的定向

运动对硅纳米线的一维择优生长起重要作用。

利用同样的物理蒸发的方法，我们还制备出了GeO-2纳米线。靶材料由高纯Ge粉

file:///E|/qk/dzxwxb/980514.htm（第 1／3 页）2010-3-22 18:37:28