文档介绍：厦门大学
硕士学位论文
一维硅纳米材料的制备、表征及作为锂离子电池负极材料的研
究
姓名:傅焰鹏
申请学位级别:硕士
专业:物理化学
指导教师:杨勇
20080801
摘要一维硅纳米材料,以硅纳米线和硅纳米管为代表,具有易与当前成熟的集成电路工艺相兼容的特征,又可在纳米限域效应方面发挥其独特的性能,因此成为目前科学研究的热点和前沿。本文采用化学气相沉积的方法制备了硅纳米线和不同形貌的硅纳米管,并对材料进行了详细地形貌和结构表征,结合大量的实验证据,提出了这些材料可能的生长模式。考察了硅纳米线和竹节状硅纳米管的发光特性和一级散射光谱。同时,对硅纳米线作为锂离子电池负极材料的应用进行了初步的研究。本论文的主要研究结果如下:越鹉擅卓帕N4呋粒柰槲9柙矗馄T仄ü鹘诠柰榈牧量制备出硅纳米线和硅纳米管,同时在不同的温度和备了不同形貌的硅纳米管,包括金填充的竹节状硅纳米管、竹节状硅纳米管和中空的硅纳米管。通过扫描电子显微镜屯干涞缱酉晕⒕分析,硅纳米线是单晶的结构,直径为左右,沿较蛏ぁH止枘擅坠芫为非晶态结构,但形貌存在差异:①,外壁呈波浪型;②金填充的硅纳米管,直径大概为,催化剂金间歇性地沿轴向填充在竹节状硅纳米管的实心部位,空心的尖端更尖,纵横比更大,类似于三角锥型,填充的金颗粒为单晶颗粒,呈拉长的椭圆形状,通过电子能谱点扫描及线扫描分析,进一步确定了该材料的成分和金填充的竹节状结构;③中空的硅纳米管,直径为左右,内部每个屋顶型空心单元完全连通,形貌类似于通常的硅纳米管,外壁光滑,内壁却是凹凸曲折的。谇叭硕灾窠谧垂枘擅坠苌つP偷难芯浚颐亲酆峡悸橇肆髁亢臀度等因素,并在实验的基础上,对不同形貌硅纳米管的生长模型进行了完善和深化。材料成核和生长主要由硅沿液滴合金表面扩散控制。在温度较高条件下,硅析出时曲率半径增加,致使合金液滴表面产生附加压力,这种随曲率半径逐渐增加的异向作用力挤压合金液滴,达到临界值时将液滴挤向另一端,留下空心。如果该推挤的时间大于硅沿催化剂上部扩散到底部的时间,则在空心的底部会形成下制硕士论文一维硅纳米材料的制备、表征及作为锂离子电池负极材料的研究傅焰鹏厦门
甋的胁光谱存在量,同时也展现出良好的循环稳定性。采用湎哐苌Ⅺ表征了硅纳米实心的间隔层。挤压的过程反复进行,最终形成周期性排列的竹节空心结构即竹节状硅纳米管。温度的升高,会致使推挤速度和扩散速度均变快,如果此时推挤时间小于扩散的时间,则空心的底部未完全被硅包覆,空心单元之间呈连通状态,最终形成中空的硅纳米管。而在温度较低时,硅烷的分解速度和硅的扩散速度均降低,导致附加压力无法将液滴挤向另一端,而是在附加压力作用下被拉长,并收缩成两个催化剂颗粒和一个空心的间隔层。疾炝斯枘擅紫和竹节状硅纳米管庵路⒐夂鸵跫荧光特性,椅翽椎闹行脑和位置,而和,姆⒐馇慷缺萐高一个数量级。随着温度的降低,两者的发光强度皆逐渐增强,当温度低于笥遥街止枘擅撞牧显和均出现了两个新峰,这是由过剩硅纳米晶粒形成的含有硅空位缺陷引发的。有两个阴极发光带,分别是‘礁龇澹直鸲杂主体部分的非晶态硅和过剩硅晶粒的晶态硅的谱峰。晶态腞;追向低频方向发生了不对称宽化,同时可在的降低,。Φ募绶逯鸾ケ涞眉馊窨杉也凰婕す夤β实谋浠而发生频移;而。谱峰,峰形对称,随激光功率的降低谱峰强度相应降低,并有逐渐蓝移倾向。捎昧街址椒ㄖ票傅缂ǎ阂恢质遣捎猛磕しǎ票傅墓枘擅紫哂氲嫉剂及粘合剂混均后涂膜并压制在导电基底上,制成电极;另一种是直接生长成膜法,即在导电基底上直接生长硅纳米线,形成电极。涂膜法制备的硅纳米线电极循环性能差,而直接生长纳米线制备的硅纳米线电极具有良好的循环特性,容量保持率较优异。随着充放电电流的增加,这种硅纳米线仍表现出较高的充放电容线电极在首次放电过程中不同截止电压的结构,表明晶态硅随着嵌锂的进行逐渐转变为非晶态,并且这种非晶状态在随后的脱嵌锂过程中始终保持;同时,在不同的嵌锂状态下均没有检测到新的晶相物质生成,这表明锂嵌入硅后生成的物质为非晶态6员任淳诺绲墓枘擅紫叩缂ê筒煌讹刺杂Φ牡缂ǖ谋面形貌,发现随着嵌锂过程的进行,硅纳米线的直径逐渐地增大,但硅纳米线的,这与姆⒐獯嗤和。鄄斓揭患绶濉K孀偶す夤β硕士论文一维硅纳米材料的制蔷、表征及作为锂离子电池负极材料的研究傅焰鹏厦门
线状结构仍保持完好,没有出现粉末化和破碎现象。这与硅纳米线的一维结构密切相关,一方面一维结构可以沿横向本和纵向ざ膨胀,有效的缓冲了体积效应;另一方面,每根纳米线之间都有效地提供了空隙,这些空隙有利于缓冲硅体积膨胀导致的粉末化,使硅纳米线保持完好的一维结构。硅;纳米线;纳米管;锂离子电池;负极材料;光学性质关键词:硕士论文一维硅纳米材料的制备、表征