VlS振荡生长机制

1、VlS振荡生长机制振荡生长机制目录目录1.背景与简介背景与简介2.实验方法实验方法3.实验初步分析与结论实验初步分析与结论4.生长原理分析生长原理分析背景与简介背景与简介在一般情况下，纳米线生长机理可以在一般情况下，纳米线生长机理可以用用VLS和和VS生长机制来解释。生长机制来解释。在在VLS生长机制中，液体充当催化和生长机制中，液体充当催化和吸附气体的介质，纳米线托起液滴而吸附气体的介质，纳米线托起液滴而不断生长。不断生长。本文通过扫描电子显微镜来观察蓝宝本文通过扫描电子显微镜来观察蓝宝石自催化石自催化VLS生长中不一样的表现，生长中不一样的表现，从而探讨从而探讨VLS生长机制在蓝宝石纳米生

2、长机制在蓝宝石纳米线形成中的作用。线形成中的作用。实验方法实验方法首先首先利用利用聚焦电子束辐射加热聚焦电子束辐射加热Al样品至样品至660以上以上，发现蓝宝石纳米线，发现蓝宝石纳米线在在a-Al2O3单晶上形成单晶上形成 ，在，在AL液滴进行生长，液滴进行生长，然后在高分辨率透射电子显微镜进行观察。然后在高分辨率透射电子显微镜进行观察。在在1250kv电压提供的平行光源（电压提供的平行光源（jem-arm获得获得1250，JEOL）下原位高分辨透）下原位高分辨透射电镜获得射电镜获得视频视频（25帧帧/秒）和高分辨率的秒）和高分辨率的图像。图像。实验初步分析与结论实验初步分析与结论1.生长方向

3、是确定的，为（生长方向是确定的，为（0001）2.生长长度与纳米线直径之间存在联系生长长度与纳米线直径之间存在联系L = cDm， 其中其中c为一个常数，为一个常数，m接近接近1实验初步分析与结论实验初步分析与结论3.生长主要发生在固液界面（生长主要发生在固液界面（0001）（0112）（）（0114）4.固液之间的凹型是由于液体表面张力引起固液之间的凹型是由于液体表面张力引起的。的。生长原理分析生长原理分析在生成纳米线的过程中，始终遵循以下两点在生成纳米线的过程中，始终遵循以下两点1.纳米线是生成的相对而言最稳定的物质或纳米线是生成的相对而言最稳定的物质或结构（化学势能比较低的）结构（化学势

4、能比较低的）2.Al滴一旦形成，就有被氧化的趋势，但滴一旦形成，就有被氧化的趋势，但是观察到是观察到Al液滴表面并没有钝化。液滴表面并没有钝化。生长原理分析生长原理分析-组成结构组成结构右图是右图是-Al2O3的结构，从两幅图中，我们的结构，从两幅图中，我们可以看出纳米线的生长是可以看出纳米线的生长是Al-O-Al一层一层一层一层有规律的交替生长的。有规律的交替生长的。除了（除了（0001）面之外，（）面之外，（0112）和）和（0114）两个面也是可以生长出）两个面也是可以生长出-Al2O3的的这是纳米线边缘（这是纳米线边缘（0114）的生长图，在三）的生长图，在三相节点不断吸收氧气的作用下

5、，由于相节点不断吸收氧气的作用下，由于Al遇氧遇氧气极易氧化（生成化学能更低的氧化铝），气极易氧化（生成化学能更低的氧化铝），因此纳米线边缘不断生长，而且托起因此纳米线边缘不断生长，而且托起Al液滴，液滴，到气液固三相节点变为液固二相节点的时候，到气液固三相节点变为液固二相节点的时候，三相节点消失，氧气从三相节点的供应切断。三相节点消失，氧气从三相节点的供应切断。生长开始停滞。生长开始停滞。这是纳米线边缘开始溶解的过程图。黄色的这是纳米线边缘开始溶解的过程图。黄色的箭头代表氧原子的运输路线，通过溶解纳米箭头代表氧原子的运输路线，通过溶解纳米线的边缘提供氧原子，氧原子不断供给，使线的边缘提供氧原

6、子，氧原子不断供给，使得（得（0001）面能够生长，当（）面能够生长，当（0001）面）面形成了双形成了双Al层的时候（形成的层的时候（形成的-Al2O3与与液滴中的液滴中的Al）不再需要氧气供给，因此边缘）不再需要氧气供给，因此边缘溶解结束，回到边缘生长的起点，形成一个溶解结束，回到边缘生长的起点，形成一个周期。周期。补充说明补充说明-振荡周期振荡周期由以上六张图可以了解振荡生长的机制，其由以上六张图可以了解振荡生长的机制，其周期为周期为1.16s，以上讨论的是（，以上讨论的是（0114）表）表面，而另一表面（面，而另一表面（0112）的周期也是接近）的周期也是接近1.16s的，也就是说，在

7、两个表面的振荡生的，也就是说，在两个表面的振荡生长的相位是相同的。长的相位是相同的。补充说明补充说明-氧气运输氧气运输振荡生长最重要的过程在于氧气输运。由于振荡生长最重要的过程在于氧气输运。由于氧气在氧气在Al液滴中的溶解度不高，因此氧气运液滴中的溶解度不高，因此氧气运输方面主要有两个，一个是通过三相节点吸输方面主要有两个，一个是通过三相节点吸收氧气生长纳米线边缘，第二个是通过溶解收氧气生长纳米线边缘，第二个是通过溶解消耗纳米线边缘而提供氧原子。消耗纳米线边缘而提供氧原子。纳米线（纳米线（0001）表面的生长依赖于氧原子）表面的生长依赖于氧原子的供给，因此当其生长时，会溶解纳米线边的供给，因此

8、当其生长时，会溶解纳米线边缘，当纳米线不再生长时（形成缘，当纳米线不再生长时（形成Al双层结构）双层结构）消耗才会停止，三相节点时才开始吸收。纳消耗才会停止，三相节点时才开始吸收。纳米线形成所需要的氧原子数目与溶解消耗的米线形成所需要的氧原子数目与溶解消耗的纳米线边缘的纳米线数目相同，（纳米线边缘的纳米线数目相同，（0112）提供提供1/3的氧原子，（的氧原子，（0114）提供）提供2/3的的氧原子氧原子补充说明补充说明-晶核形成方式晶核形成方式化学反应向着更低的化学势能进行是其主要的驱动化学反应向着更低的化学势能进行是其主要的驱动力。以下是可能的形成方式。力。以下是可能的形成方式。一、由于吸

9、收了由纳米线边沿外部溶解所得的氧气，一、由于吸收了由纳米线边沿外部溶解所得的氧气，新层面的内部台阶会向纳米线的中心移动，从而扭新层面的内部台阶会向纳米线的中心移动，从而扭结至生长中的层面的内部边缘。形成结晶相过程中结至生长中的层面的内部边缘。形成结晶相过程中所减少的化学势能便是这一过程的驱动能量。所减少的化学势能便是这一过程的驱动能量。二、氧气首先是吸附在二、氧气首先是吸附在LS层表面，然后由于分界面层表面，然后由于分界面能的减小，会沿着三重结合点的交界面进行扩散。能的减小，会沿着三重结合点的交界面进行扩散。一旦吸附了氧气，临界尺寸大小的晶核会在三重结一旦吸附了氧气，临界尺寸大小的晶核会在三重

10、结合点上形成，然后扫过合点上形成，然后扫过LS（0001）的交界面，从）的交界面，从而在它刚成型之时，形成一个而在它刚成型之时，形成一个a-Al2O3的新层面。的新层面。随后从纳米线边沿外部溶解释放出氧气又会被新的随后从纳米线边沿外部溶解释放出氧气又会被新的固液层表面所吸附。固液层表面所吸附。补充说明补充说明-内层弛豫现象内层弛豫现象补充说明补充说明-内层弛豫现象内层弛豫现象从上图可以看出，接近固相的从上图可以看出，接近固相的Al液相排列方液相排列方式与式与Al固相排列方式有相同之处，在这里形固相排列方式有相同之处，在这里形成了成了“Al双层结构双层结构”。一个一个-AL2O3（0006）新层面的形成。）新层面的形成。（图片用黄色突出）一个（图片用黄色突出）一个（0006）的新层）的新层面的完整形成耗时面的完整形成耗时1.16S（图片用蓝色突（图片用蓝色突出）。原本的交界面和新形成的交界面位置出）。原本的交界面和新形成的交界面位置分别用白色和黄色线条表示出。分别用白色和黄色线条表示出。补充说明补充说明-内层弛豫现象内层弛豫现象弛豫的液体中的原子序与在生长过程中