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准一维纳米材料具有奇特的物理、化学性质,在纳米光电器件领域中具有广阔的应用前景,因而倍受瞩目。本文利用改进的固态离子学方法以及二次化学处理工艺,成功制备出金属银及其硫化物半导体准一维纳米结构材料,通过实验测定了它们的光电性质。首次发现宏观长金属银纳米线束具有负光致电导效应,并探讨了该效应产生的物理机制。主要研究内容如下:
⑴在非导电基底上制备两条平行的银膜作为端电极,其间再蒸镀高离子电导率的RbAg4I5薄膜作为银离子传输媒介,在恒流外场条件下制备出准一维结构的宏观长金属银纳米线有序阵列,并借助扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和能量色散谱仪(EDS)对其进行了表征分析。然后,利用532 nm和10.6μm波长的激光研究了金属银纳米线束的光致电导特性。结果发现,无论在真空条件下还是在空气中,当有光场照射时,银纳米线回路中的电流与初始暗电流相比明显减小,即产生负光电导现象,进一步研究发现金属银纳米线的光致负电导效应响应速度极快。我们认为:这种光场导致准一维银纳米线输运性质发生改变的主要物理机制,是由于银纳米线在光场作用下激发出表面等离子激元(SPPs),而SPPs与纳米线中传导电子发生相互作用,直接阻碍了电子在准一维纳米线中的输运,从而引起纳米线的负光电导效应。另外,用四端接线法还测量了银纳米线的伏安特性和电阻温度特性,研究结果表明金属纳米结构的温度系数小于相应体材料的温度系数。
⑵利用宏观长银纳米线束,通过与硫共热反应,我们制备出了准一维结构的银/硫化银(Ag/Ag2S)芯/壳结构的同轴纳米线束和半导体硫化银(Ag2S)纳米线束,并对不同径向厚度比的Ag/Ag2S同轴纳米线以及Ag2S纳米线光电特性进行了详细研究。实验结果表明,Ag2S半导体纳米线表现出正光电导效应,其产生原因是由于光子激发价带中电子跃迁至导带中,使得硫化银中载流子(电子和空穴)浓度增加,进而导致其电导率上升。对于具有不同径向厚度比的Ag/Ag2S同轴纳米线,它的光电导介于纯Ag金属纳米线和纯Ag2S半导体纳米线之间,正负决定于芯/壳电导的竞争结果。总之,本文报道的金属银及其硫化物半导体准一维纳米材料的正、负光电导两种现象的产生机理是完全不同的。