Si-B-C-N系低維納米材料制備與表征.pdf

1、Si-B-C-N系化合物既是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料又是性能優(yōu)異的功能材料，具有寬帶隙、高強(qiáng)度、低密度、耐高溫、高熱導(dǎo)、低熱膨脹系數(shù)以及良好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等一系列優(yōu)良性能，在微電子、機(jī)械、核動(dòng)力工程等許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)塊體材料相比，納米材料具有特殊的物理和化學(xué)性能并在許多領(lǐng)域展示出潛在的重要應(yīng)用前景。因此，對(duì)納米Si<,3>N<,4>、BN、SiC等材料的合成和形成機(jī)理進(jìn)行深入的研究，具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。本研究詣在

2、探索制備Si<,3>N<,4>、BN、SiC等納米材料的有效途徑和簡(jiǎn)便方法。 利用直接化學(xué)反應(yīng)法，不借助其它溶劑，在高壓反應(yīng)釜內(nèi)于較低的溫度下成功制備出Si<,3>N<,4>、BN、SiC、C等納米晶。利用X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)、傅立葉變換紅外吸收譜(FTIR)、透射電子顯微鏡(TEM)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)以及光致發(fā)光光譜(PL)等分析手段對(duì)合成樣品的成分、結(jié)構(gòu)、形貌以及發(fā)光性能進(jìn)行了

3、系統(tǒng)的表征，并對(duì)其形成機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。主要內(nèi)容和結(jié)論如下： 以SICl<,4>和NaN<,3>為原料在480℃成功合成了Si<,3>N<,4>納米棒、納米顆粒等納米晶。合成的Si<,3>N<,4>是α-與β-Si<,3>N<,4>的混合相，晶化良好。其中Si<,3>N<,4>納米棒為β-Si<,3>N<,4>，直徑大小約為50nm，長(zhǎng)度為1um左右。納米顆粒大小介于70—200nm。研究了合成溫度對(duì)產(chǎn)物組成和形貌的影響，并

4、討論了Si<,3>N<,4>納米晶的形成過(guò)程和機(jī)理。 在NaN<,3>適當(dāng)過(guò)量的情況下，NaN<,3>和SiCl<,4>于100℃低溫下反應(yīng)形成了樹(shù)枝狀氮化硅納米晶。該樹(shù)枝晶為單晶結(jié)構(gòu)，分枝與主干垂直。研究了反應(yīng)溫度和組分對(duì)樹(shù)枝晶形成的影響，并討論了樹(shù)枝狀氮化硅的形成過(guò)程和機(jī)理。結(jié)果表明：適當(dāng)過(guò)量的NaN<,3>和較低的反應(yīng)溫度是得到氮化硅樹(shù)枝晶的重要條件。 在少量CCl<,4>存在的情況下，通過(guò)SICl<,4>和

5、NaN<,3>反應(yīng)，首次于200℃的較低溫度下直接合成了單一的β-Si<,3>N<,4>相。XRD、HRTEM和XPS實(shí)驗(yàn)證實(shí)：合成的Si<,3>N<,4>為晶化良好的純?chǔ)?Si<,3>N<,4>，主要形貌為短棒狀。簡(jiǎn)要討論了純?chǔ)?Si<,3>N<,4>的形成機(jī)理并分析了CCl<,4>在單一相β-Si<,3>N<,4>的形成過(guò)程中的作用。 以NH<,4>BF<,4>和NaN<,3>為原料，在550℃的較低溫度下合成出BN納米

6、籠、納米管等。納米籠大部分呈類(lèi)空心球狀，空心球尺寸差異較大，直徑介于50nm-1um，壁厚為10-30nm。納米籠在合成樣品中的比率為50-60％。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行分析并參考相關(guān)文獻(xiàn)，討論了氮化硼納米籠的形成機(jī)理。光致發(fā)光性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：合成出的氮化硼樣品的室溫光致發(fā)光譜為一寬發(fā)光帶，波長(zhǎng)范圍在300-550nm，發(fā)光峰位于415nm。 以SiC<,4>和CaC<,2>為原料在380℃的較低溫度下成功地制備出β-SiC納

7、米空心球?？招那虻闹睆椒秶橛?0-80nm之間，壁厚為5-10nm，產(chǎn)率約為80％。討論了空心球的形成機(jī)理以及反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物形貌的影響。CaC<,2>在SiC空心球的形成過(guò)程中扮演了重要角色。其室溫PL譜為一波長(zhǎng)范圍介于400-600nm的寬發(fā)光帶，峰位在438nm。與傳統(tǒng)的塊體SiC相比，其發(fā)光峰呈現(xiàn)明顯的藍(lán)移，發(fā)光強(qiáng)度明顯增大。 以CaC<,2>和TiCl<,4>為原料于350℃成功制備了碳納米帶。納米帶寬度大約60-80