新型半导体纳米材料的制备 摘要: 简要论述了半导体纳米材料的特点,着重讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括溶胶一凝胶法、微乳液法、模板法、基于MBE和MOCVD的纳米材料制备法、激光烧蚀法和应变自组装法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点及其应用前景。 关键词: 纳米材料;溶胶一凝胶法;分子束外延;金属有机物化学气相淀积;激光烧蚀淀积:应变自组装法;

Several Major Fabrication Technologies of Novel Semi conductor Nanometer Materials Abstract: The characteristics of semiconductor nanometer materials are introduced. Several major fabrication technologies of semiconductor nanometer materials are discussed,including sol-gel process,tiny-latex process,template process,based on MBE and MOCVD,laser-ablation and strain-induced self-organized process,their advantages and disadvantages and their prospects are analyzed. Key words: nanometer material;sol-gel process; MBE; MOCVD: laser ablation deposition; strain-induced self-organized process;

1. 引言

相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,

对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维,通常适用体材料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道,半导体纳米粒子结构上的特点(原子畴尺寸小于100 nm,大比例原子处于晶界环境,各畴之间存在相互作用等)是导致半导体纳米材料具有特殊性质的根本原因。半导体纳米材料独特的质使其将在未来的各种功能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之一。本文讨论了半导体纳米材料的性质,综述了几种化学法制备半导体纳米材料的原理和特点。 2 .半导体纳米粒子的基本性质

2.1 表面效应 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒子尺寸的减小而大幅度地增加(对于直径为10nm的粒子，表面原子所占百分数为20%；直径为1nm的粒子，表面原子所占百分数为100%)，粒子的表面能和表面张力随之增加，材料的光、电、化学性质发生变化。表面原子的活性比晶格内的原子高，其构型也可能发生变化，因而表面状况也将对整个材料的性质产生显著影响。例如,吴晓春等人[1]制备了表面包覆有阴离子表面活性剂的SnO2纳米微粒，测定了裸露的和表面包覆有阴离子表面活性剂的SnO2纳米微粒的红外吸收光谱。表面包覆有阴离子表面活性剂的SnO2纳米微粒形成宽的背景吸收带，表现为光吸收边红移。裸露的SnO2表现为光吸收蓝移。前者表现出很强的光致发光，后者只有微弱的荧光。因此想要获得发光效率高的纳米材料，采用适当的方法合成表面完好的半导体材料很重要。 2.2 量子尺寸效应 当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸(如与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的玻尔半径相等) 以后,其中的电子、空穴和激子等载流子的运动将受到强量子封闭性的限制，同时导致其能量的增加，与此相应的电子结构也从体相的连续能带结构变成类似于分子的准分裂能级,使原来的能隙变宽，即光吸收谱向短波方向移动，这就是量子尺寸效应。当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时,超微颗粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的特性,客观表现为光谱线会向短波方向移动，催化活性变化。Xu Sh-ming等[2]测定其合成的半导体纳米线阵列的紫外可见吸收光谱表明,随着半导体纳米线直径减小，其吸收边相对于体相蓝移的幅度增加，显示了明显的量子尺寸效应。量子尺寸效应是未来微电子、光电子器件的基础,当微电子器件进一步微小化时，必须考虑量子效应。 2.3 介电限域效应 当用电容率较小的材料修饰半导体纳米材料表面时，带电的半导体纳米粒子发出的电场线很容易穿过电容率比自己小的包覆层。因此，屏蔽效应减小，带电粒子间的库仑作用力增强，结果增强了激子的结合能和振子强度，引起量子点电子结构变化。量子点中的电子、空穴和激子等载流子受之影响，这种现象称为介电限域效应。对于超微粒子来说，随着粒径减小，和块体相比红移和蓝移同时起作用，一般导致蓝移的电子2空穴空间限域起主导作用，因而主要观察到的为量子尺寸效应。但是当对超微粒表面进行化学修饰后，如果半导体材料和包覆材料的介电常数相差较大，便产生明显的介电限域效应,屏蔽效应减弱，半导体材料和包覆材料的介电常数差值越大,则介电限域效应越强，红移越大。当表面效应引起的能量变化大于由于空间效应所引起的变化时，超微粒的表观带隙减小，反应到吸收光谱上就表现出明显的红移现象。刘成林等人[3]将制得的ZnO/ZnS胶体作为亚相，在亚相表面滴加硬脂酸氯仿溶液,形成ZnO/ZnS超微粒2硬脂酸复合单分子层。ZnO/ZnS超微粒表观带隙为4.04eV，对应的波长为308nm ，ZnO/ZnS超微粒2硬脂酸复合的表观带隙为3.14eV,对应的波长为361 nm ,相对于胶体的紫外2可见吸收光谱出现了“红移”现象,这种现象产生的原因是硬脂酸单分子膜对超微粒子起着表面修饰作用,从而出现了介电限域效应,引起了红移。这种变化对纳米粒子的应用产生重要影响。 3. 半导体纳米材料的性质 3.1 特殊的光学、热学性质 纳米粒子具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性不同于常规粒子。纳米粒子的熔点低于体相材料的熔点,这是由于纳米粒子表面原子占总原子数的比例大,表面原子邻近配位不全,纳米粒子活性大而体积又远小于大块材料的粒子,熔化时所需增加的内能小得多。Goldstein等[4]由反胶束化学沉淀法制备的直径为2.4-7.6 nm的半导体原子簇,测得随粒子尺寸减小,材料熔点的降低是相当显著的。图1表明,最小的CdS半导体原子簇的熔点降到块体熔点的1000 K以下。

纳米粒子的高比表面导致不饱和键和悬键增多,在红外场作用下,纳米粒子红外吸收带宽化,对紫外光有强吸收作用,而且吸收带移向短波。纳米半导体的光谱蓝移现象已经有许多报道, Jiaxing Huang等[5]在CS2)水)乙(撑)二胺微乳液体系,利用超声辐射合成的纳米CdS相对于体相CdS的吸收光谱和光致发光光谱发生蓝移。 3.2 光电化学性质 对于电解质溶液中的半导体超微粒的悬浮液体系,当光照到微粒上时,产生电子-空穴对,它们流向粒子表面,与溶液中的氧化剂(ox)或还原剂(red)反应,生成相应的产物。当极化电势有利于氧化光致还原产物,则产生阳极光电流;当极化电势有利于还原光致氧化产物,则可观察到阴极光电流。当极化电势不利于氧化或还原光致反应产物时,仍然可能检测到由于微粒中产生光生电子(e-)或光生空穴(h+)直接注入到电极里产生的较微弱的光电流。Zang Ling等人[6]在AOT/异辛烷反胶束中合成半导体纳米粒子CdS,以溶解在有机相中的pyrene作电子给体,在光激发下可以向CdS注入电子,观察到了阳极电流, CdS为n型半导体。 4. 半导体纳米材料的主要制备技术 4.1.1溶胶一凝胶法 在诸多纳米粉体的制备法中,溶胶一凝胶法因有独特的优点而被广泛应用。溶胶是固体颗粒分散于液体中形成的胶体,当移去稳定剂粒子或悬浮液时,溶胶粒子形成连续的三维网络结构。凝胶由固体骨架和连续相组成,除去液相后凝胶收缩为千凝胶,将干凝胶锻烧即成为均匀超细粉体。该方法的操作过程大致如下:先将金属醇盐或无机盐类协调水解得到均相溶胶后,加入溶剂、催化剂和鳌合剂等形成无流动水凝胶,再在一定的条件下转化为均一凝胶,然后除去有机物、水和酸根,最后进行干燥处理得到超细化粉体。 溶胶一凝胶法具有许多优点:由于反应在各组分的混合分子间进行,所以粉体的粒径小且均匀性高;反应过程易于控制,可获得一些其他方法难以得到的粉体;不涉及高温反应,能避免引入杂质,产品纯度高。但是溶胶一凝胶法在制备粉体过程中同样有许多因素影响到粉体的形成和性能。因为醇盐的水解和缩聚反应是均相溶液转变为溶胶的根本原因,故控制醇盐水解缩聚条件是制备高质量溶胶的关键。溶胶一凝胶法的另一主要问题是纳米粒子之间发生自团聚,进而形成较大的粒子。引起团聚的原因很多,国内外已有学者从热力学的角度探讨了溶胶不稳定性,认为高分子及表面活性剂是较好的纳米粒子稳定剂。 总起来说,溶胶一凝胶法制备设备简单、成本低,适宜大面积制膜和批量生产,有望成为开发新型纳米功能薄膜材料的方法。 4.1.2 微乳液法 微乳液是由油、水、乳化剂和助化剂组成各相同性、热力学性能稳定的