氧化镍-硅复合纳米线阵列制备和性能的研究.pdf

Preparation and Properties of Ordered NiO-posite
Nanowire Arrays


Candidate Fang Lu
Supervisors Professor Jianxin Zhong
College Faculty of Material and Optoelectronic Physics
Program Growth and Properties of Low Dimensional Nanomaterials
Specialization Material Physics & Chemistry
Degree Master of Engineering
University Xiangtan University
Date May, 2011
湘潭大学
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摘要
硅基纳米复合体系不仅拥有硅纳米材料的诸多特性,同时还综合了复合体系
中各组分材料的相关性质,因而具有更为卓越的综合性能。硅基纳米复合材料的
种类繁多,目前科学工作者对它们中的某些特定体系的性能也有了较为深入的研
究。在硅基纳米复合体系中,硅纳米线有序阵列与金属氧化物的复合体系虽然已
经开始研究,但是报道并不多见。氧化镍是一种 p 型半导体材料,其化学性能稳
定,物理性能优良,环境友好度高,价格低廉且易于产业化,在超级电容器及气
敏性器件等方面拥有广阔的应用前景。本文选择了氧化镍材料与硅纳米线有序阵
列进行复合,制备出了氧化镍-硅复合纳米线阵列,并研究了该复合结构在超级
电容器和气敏性元件方面的性能,具体研究内容如下:
1. 以四种不同型号的n型硅片为原材料,通过银离子催化腐蚀法制备了硅纳
米线阵列结构。以制备的硅纳米线阵列结构为模板,化学镀覆镍层,然后在空气
中,350 oC与450 oC条件下退火1 h,获得了氧化镍-硅复合纳米线阵列。对样品进
行相关表征,结果表明:(1) 硅纳米线阵列的生长方向与硅片的晶向相同,硅纳
米线的直径与硅片的电阻率相关,且电阻率越大,硅纳米线的直径越大。(2) 以
n (100),电阻率为1~10 Ω·cm型号硅片制备出的氧化镍-硅复合纳米线阵列取向性
最优。该结构中,硅纳米线垂直于硅基底,纳米线长度为45 μm,直径在30~300 nm
之间;(3) 氧化镍-硅复合纳米线阵列结构中,氧化镍颗粒的平均晶粒尺寸与退火
温度有关,当退火温度350 oC时,晶粒尺寸约为13 nm,450 oC时为16 nm。
2. 将不同温度下退火得到的氧化镍-硅复合纳米线阵列制备成电极进行电化
学性能测试,包括循环伏安曲线测试,恒电流充放电测试,交流阻抗测试。测试
结果表明:氧化镍-硅复合纳米线阵列具有良好的循环性能,较高的比电容和较
低的内阻。 mA时, F·g-1,经过500 次
充放电循环后, %; Ω。该复合结构材料
将会在电化学电容材料方面有广阔的应用前景。
3. 将不同温度下退火得到的氧化镍-硅复合纳米线阵列制备成气敏性测试电
极,对其NO2气敏性性能进行测试。测试结果表明:氧化镍-硅复合纳米线阵列比
常规方法制备的氧化镍纳米颗粒气敏电极性能更加优越,温度在100~200 oC之间
o
样品灵敏度达到最大值,最佳工作温度为125 C;当NO2气体浓度较低(<100 ppm)
时,样品气敏性随气体浓度变化较大;且经350 oC热处理的样品优于450 oC热处
理样品性能。
关键词:硅纳米线阵列;氧化镍;复合;超级电容器;气敏性
I
Abstract
Si-based