一維碳化硅納米材料的制備、表征及性能研究.pdf

1、碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱穩(wěn)定性好、熱導(dǎo)率和飽和電子漂移速度大等特點,使其在高溫、高頻、強輻射、大功率等條件下具有良好的性能。而一維SiC納米材料由于獨特的形貌和結(jié)構(gòu)特征,使其具有一些奇特的物理和化學(xué)性能,在納米電子器件、納米光電子器件、納米場發(fā)射器件、納米復(fù)合材料、催化等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。因此,一維SiC納米材料的制備及性能研究具有重要的意義。
　　 本文選用不同的碳源與硅源,采用碳熱還原法

2、制備了SiC納米線,并探討了SiC納米線的規(guī)?；苽涔に?應(yīng)用X射線衍射、場發(fā)射掃描電鏡、透射電鏡和選區(qū)電子衍射等測試手段研究了SiC納米線的相組成、形貌和微結(jié)構(gòu);應(yīng)用熒光分光光度計、紫外-可見光譜儀和熱重分析儀等儀器研究了SiC納米線的光學(xué)性能、能帶結(jié)構(gòu)和抗氧化性能。在上述基礎(chǔ)上,討論了SiC納米線的生長機理并分析了影響其生長的因素;探索了SiC納米線的結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系;探討了SiC納米線的熱穩(wěn)定性能。主要結(jié)論如下:
　　 首

3、先,以正硅酸乙酯和炭黑為主要原材料,采用溶膠-凝膠碳熱還原法制備了SiC納米線,分析了影響納米線生長的因素和生長機理,實現(xiàn)了對其形貌的有效控制。研究表明,SiC納米線的形貌受溫度、Si/C比和保溫時間的影響:當溫度為1500℃、1550℃和1600℃時,分別制備了直線狀納米線、分級結(jié)構(gòu)納米線和納米棒,其直徑約100-24nm;當Si/C=1:1時,納米線的直徑較均一且分級結(jié)構(gòu)顯著;保溫時間太短,不利于分級結(jié)構(gòu)納米線的形成。透射電鏡和選區(qū)

4、電子衍射顯示,SiC納米線的生長方向為(111)方向,且納米線中存在大量的堆垛層錯和微孿晶。論文采用兩步生長的氣-固(VS)機制來解釋分級結(jié)構(gòu)納米線的生長,即第一步為中心納米線的快速生長,第二步為中心納米線表面交替形成SiCxOy聚集體,聚集體表面吸附的SiO/CO氣體反應(yīng)使SiC沿著中心納米線表面外延生長形成枝狀納米碟。
　　 光致發(fā)光光譜譜圖顯示SiC納米線在2.87eV和3.06eV處出現(xiàn)了兩個光致發(fā)光峰,位于2.87eV

5、的發(fā)光峰可歸因于3C-SiC的光致發(fā)光,與β-SiC體單晶(禁帶寬度約為2.39eV)的發(fā)光特征峰相比,納米線的發(fā)光峰位有明顯的藍移,而位于3.06eV的發(fā)光峰可解釋為由3C-SiC納米線中由堆垛層錯形成的6H-SiC(禁帶寬度約為3.02eV)引起的。紫外-可見漫反射光譜分析表明,SiC納米線為間接帶隙半導(dǎo)體,其禁帶寬度為2.60eV,與光致發(fā)光特征峰(2.87eV)較為接近。
　　 以可膨脹石墨為碳源,工業(yè)硅粉為硅源,采用碳

6、熱還原法制備了SiC納米線并探索了其規(guī)?；苽涔に?。研究表明:反應(yīng)溫度越高、Si/C比越大,得到的產(chǎn)物中石墨雜質(zhì)的含量越少,實驗還發(fā)現(xiàn)原料混合不均勻、添加催化劑都不利于納米線的生長。透射電鏡和選區(qū)電子衍射表征發(fā)現(xiàn),納米線出現(xiàn)了樹杈狀和直線狀形貌,其生長方向均為(111)方向,且納米線中存在大量堆垛層錯。論文采用氣-固(VS)模式解釋SiC納米線的生長機理,提出可膨脹石墨高溫膨脹后形成的蓬松多孔結(jié)構(gòu)為SiC納米線提供了充足的生長空間,是實

7、現(xiàn)SiC納米線規(guī)?；苽涞年P(guān)鍵之一。熱重分析數(shù)據(jù)顯示SiC納米線在溫度超過400℃時開始氧化。700℃氧化的SiC納米線的光致發(fā)光光譜顯示,氧化后其光致發(fā)光峰出現(xiàn)了藍移,這可能是氧化后核心SiC納米線尺寸變小所致。
　　 SiC納米線在空氣中的熱穩(wěn)定性能研究表明:通過碳熱還原法制備的兩種不同直徑SiC納米線的熱重分析顯示納米線在溫度超過450℃時開始氧化;X射線衍射分析表明,隨著溫度的升高,納米線不斷被氧化成二氧化硅;當溫度達到