钼及其氧化物微纳结构单晶体的制备方法与物理特性研究

Molybdenum and its oxides micro/nano-structural single crystals with high melting point, high conductivity, high heat conductivity, high temperature and chemical stability and strong workability, have been paid attention in the field of micro-nano optoelectronics. However, the materials prepared using the existing methods can not reach the micro-nano optical and electronic performance research and devices application requirements, because of their limited size range and crystallization quality. Developing a new controllable preparation technology is an important approach to solve the above problem. Thermal vapor deposition based on the bottom-up self-assembly growth shows the advantages in high product purity, high yield, simple preparation and good controllability. This project will develop the controllable preparation method through thermal evaporation for molybdenum and its oxides single crystalline micro/nano-structures. The control methods for morphology, orientation, size and crystallization quality will be studied. The growth mechanism will be in-depth analyzed. The intrinsic physical properties about force, light and electronics will also be studied. The goal of the project is to obtain molybdenum and its oxides micro/nano-structural single crystals with large size, high quality and high performance, thus providing the material basis and technical reserve for micro-nano optoelectronics development.

钼及其氧化物的微纳结构单晶体具有高熔点、高电导、高热导、高温及化学性能稳定、可加工性强等特点，是微纳光电子学领域内受关注的材料。然而，采用现有方法制备的钼及其氧化物材料，尺寸受限制，且单晶性能差，无法达到微纳光、电子材料性能研究和器件应用的要求。发展新型的单晶体可控制备技术是解决以上问题的重要途径。基于材料自下而上自组装生长的热蒸发气相沉积法具有产物纯度高、产量大、制备简单、可控性好的优势。本项目将主要研究采用热蒸发法获得钼及其氧化物微纳结构单晶体的可控制备技术，并研究对材料外观形貌、取向、尺寸和结晶质量的有效调控手段。项目将深入分析所得产物的生长机制，并探索在力、光、电子学等方面的本征物理特性。项目的最终目标是获得大尺寸、高品质、高性能的钼及其氧化物微纳结构的单晶体，为微纳光电子学领域的发展提供材料基础与制备技术储备。

在本项目中，为解决钼及其氧化物微纳结构单晶体的关键制备技术缺乏、可控性差的难点，我们采用基于材料自组装生长的热蒸发气相沉积法，制备出了一系列高质量钼及其氧化物微纳结构单晶体。通过对制备工艺环节中关键参数的控制，实现了对材料外观形貌、生长取向、结晶质量及体积尺寸等的准确调控，并深入研究了相关生长机制。我们还系统研究了上述材料在力、光、电学特性等方面的本征物理特性，为微纳电子学、光学等领域的发展提供了可靠的材料支撑与技术储备。.主要的研究内容包括四个方面：（1）调控热蒸发生长的制备优值，成功获得了钼纳米金字塔、钼微米棒、钼纳米立方颗粒、钼亚毫米锥、钼毫米柱、二维氧化钼层状结构、三氧化钼微米带、钼纳米火山等一系列单晶性能优异的微纳结构，并对它们的形貌、结构、成分等进行了全面的表征；结合材料生长分阶段局部表征，研究了晶体生长的动力学过程，深入分析了上述材料的生长机制，构建了晶体生长模型。（2）对上述材料展开了全面的物理特性研究及其应用探索：机械特性研究中利用纳米压痕测试证明了单个单晶钼金字塔具有很高的纳米压痕硬度、弹性模量和拉伸强度值；电学特性研究证明了单晶钼微纳结构具有低体电阻、高电导率和优良的真空电子发射特性，满足许多功率型真空电子器件的应用需要；光学特性研究证明了单晶钼微纳结构具有强光场局域特性，并进一步探索了将其用于表面增强拉曼散射的应用可行性；证明了单晶氧化钼结构在声子极化激元作用下可以利用转角范德华晶体堆叠在纳米尺度下实现对光的操控。（3）基于单晶钼微纳结构，深入研究了其作为大电流电子发射阴极材料的结构与界面优化，研制出相关阴极，并评估了脉冲发射特性，获得了Acm-2级别的发射电流密度。（4）发展了单晶钼微纳结构和等离激元纳米颗粒的纳米复合结构，并基于等离激元介导过程和光-电场共激励，获得了具备高选频特征、大电子产额且受光高度调控的电子发射性能。