毕业设计开题报告汇总

毕业设计(论文)开题报告题目：陶瓷前驱体热解制备SiC纳米线工艺规律及微观结构表征院系专业班级姓名学号导师1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）1.1选题背景SiC 具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点, 可应用于高温、高频、大功率、光电子和抗辐射器件。

近年来的研究表明, SiC 还具有较好的光学及电学特性, 可应用于构造纳米器件方面。

SiC 纳米线具有很好的场发射、强烈的蓝光PL发射等电学性能, 在高温、高能及高频纳米电子器件方面具有潜在的应用前景。

根据金属催化气液固生长机理, 不同形态的一维纳米材料均可制备。

以不同的碳源及硅源为原料, 在金属催化作用下通过CVD、热蒸发等方法可实现SiC 纳米线的制备。

虽然金属催化方法易制得SiC 纳米线, 但因所得样品需经一定的后处理, 故也有人研究不采用金属催化剂而直接制备SiC 纳米线。

根据目前文献,SiC 纳米线所用催化剂通常为Fe、Ni、Al 及Na 等。

SiC纳米线除了具有SiC块体材料热膨胀系数低、热传导率高、化学稳定性好、机械性能高等优良特性外，由于尺寸效应SiCN纳米线还具有一些一维纳米材料的特殊性能。

因此，SiC纳米线的制备吸引了全世界相关机构对其开展大量研究。

目前，SiC纳米线的合成方法有很多，主要包括碳热还原法、模板生长法、有机前驱体热解法、电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法等。

近年来受到了SiC一维纳米材料研究领域的高度关注。

本课题拟以聚碳硅烷（PCS）为陶瓷前驱体，在高温下热解制备SiC纳米线，探索不同工艺参数对所制备的SiC纳米线微观结构的影响规律，揭示其生长机理。

1.2研究意义自从发现碳纳米管以来，一维纳米结构材料因其独特的物理结构和性能引起了科技工作者的广泛关注。

人们采用不同方法制备了各种材料的纳米线和纳米管。

其中碳化硅纳米线是碳化硅晶体极端各向异性生长的产物，结晶相单一，结构缺陷少，不仅具有碳化硅本体材料所固有的性质如耐高温，抗氧化，耐腐蚀，耐辐照，高强度，高硬度等性能，还具有优异的的场发射，特殊的光致发光，高效的光催化，超高的力学强度等奇特性能，在高温、氧化、大功率、强辐射等苛刻环境下的平面显示，光电子，纳米器件，集成电路，光催化，超高强度复合材科等领域有着非常广阔的应用前景。

SiC 由于具有优越的力学、热学、电学性能，以及高的物理与化学稳定性、热导率、临界击穿电场、电子饱和迁移率等特性，在高密度集成电子器件方面具有巨大的应用潜力． SiC纳米线的制备吸引了全世界相关机构对其开展大量研究。

目前，SiC纳米线的合成方法有很多，主要包括碳热还原法、模板生长法、有机前驱体热解法、电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法等。

然而有机前驱体热解法由于其制备的纳米线形貌一致性高、杂质含量少、制备方法简便且产量较大，因而研究意义重大。

1.3 国内外研究现状以Fe 为催化剂Feng 等[ 15] 以Ar 作保护气, 在1 700 下将SiC 及Fe 的混合粉末热蒸发1 h, 得到了直径20~50 nm、长1~ 2 m 的针状SiC 纳米线。

PL 发射光谱显示该产品在450 nm ( 2. 76 eV) 处有一PL 发射峰, 最大半峰宽( FWH M ) 约60 nm。

与块体SiC 相比, 该SiC 纳米线的PL 光谱出现了蓝移, 故具有强烈的蓝光发射能力, 在蓝光场发射显示屏尤其是高温、高辐射环境显示器件方面具有很大的应用潜力。

Liang 等[ 16] 以H 2/ Ar 混合气体为保护气, 于 1 500 下热处理多孔SiO 2干凝胶与Fe 的混合粉末 2 h,得到了直径20~ 50 nm、长几十微米的SiC 纳米线,其生长头部存在一些球状Fe 纳米颗粒, 表明Fe 催化了纳米线的生长。

T EM 照片表明该SiC 纳米线为一种核壳结构, 内部为晶体SiC, 外层为硅氧化物, 沿[ 111] 方向生长。

室温PL 光谱表明, 该纳米线在340 nm 和440 nm 处有两个PL 波峰, 前峰可能由硅氧化物外层中的氧差异引起而后峰是量子限制效应及纳米线中缺陷复合作用的结果。

此外, Wang 等[ 17] 以硝酸铁为催化剂, 通过高温碳热还原含碳、硅的干凝胶( 由四乙氧基硅烷和联苯形成) , 制备出了一种具有周期性孪晶结构的SiC纳米线, 直径50~ 300 nm, 长数百微米。

此纳米线的生长符合气液固机理, 截面为六边形, 周期与直径成线性关系。

研究发现, 该纳米线由等高斜六棱柱堆积而成。

经计算机模拟, 其六棱柱的侧面均为{ 111}晶面, 相对的侧面具有不同化学组成, 或全碳或全硅: 如一侧面全由C 原子组成, 则其相对面全由Si 原子组成。

这样两表面显然具有不同的表面能, 从而在纳米线中产生应力, 而且随着六棱柱的生长, 应力将线性增加。

由于孪晶具有较低的能量, 纳米线每生长到一定长度就产生一个孪晶, 使相对侧面的极性发生反转, 从而抵消上述这种应力, 最终形成具有周期性孪晶结构的SiC 纳米线。

以N i 为催化剂以Ni 为催化剂也可有效制备出SiC 纳米线[ 18, 19] 。

Kang 等[ 18] 以CH 2 CH SiC( CH 3) Cl2 为前驱体, 采用CVD 法在涂有40~ 50 nm 厚Ni 膜的Si衬底上沉积0. 5~ 3 h, 获得了直径30~ 50 nm、长数微米的SiC 纳米线, 沉积温度为800~ 1 000 。

该SiC 纳米线大量随机地垂直生长于衬底上, 直径及长度由温度和催化剂决定。

随着沉积温度的降低,线直径减小到30 nm, 长度也从15 m 减小到5m。

单根SiC 纳米线的SAED 结果表明, 该纳米线沿[ 111] 方向生长。

这是一种富碳SiC 纳米线, 在纳米器件及场发射器件方面具有很好的应用前景。

Choi 等[ 19] 也以Ni 为催化剂, 但采用磁控溅射法在硅衬底上制备了定向SiC 纳米线, 直径达几十至数百纳米, 与采用氧化铝模板得到的定向纳米材料[ 20]以Al、Na 等金属为催化剂以Al 为催化剂所得SiC 纳米线由SiC 内核及氧化物外层两部分组成,氧化物外层厚2~ 5 nm,其生长头部也存在大量Al 纳米颗粒[ 21] 。

文献[ 22]和[ 23] 指出, 以Na 为催化剂可大大降低SiC 纳米线的制备温度, 但须在一定压力下制备, 这与采用其他金属催化剂的制备方法不同。

该方法须在高压反应容器内的有机溶液中进行, 原料一般为CCl4、Si、SiCl4或C6Cl6等, 反应时间通常为数十小时, 可得直径15~ 20 nm、长5~ 10 m 的SiC 纳米线, 同时还可得到少量中空SiC 纳米结构。

最近, Ju 等[ 24] 也以高压反应容器为主要设备, 以SiCl4、( C5 H 5 ) 2 Fe 和金属Na 为原料, 于500 度下通过溶剂热合成法制备出了单晶SiC 纳米线, 直径达15~ 50 nm, 而长度可达几十微米, 沿[ 111] 方向生长, 这为SiC 纳米线的低成本制备提供了有益尝试, 有利于其应用。

此外, 郝雅娟等[ 25] 以酚醛树脂为碳源、正硅酸乙酯为硅源、硝酸镧和表面活性剂为调控剂, 通过溶胶凝胶和碳热还原反应制备出了不同形貌的SiC 纳米线, 均为立方SiC 结构, 形态分别为直线状、竹节状、链珠状和分枝状。

不采用金属催化剂不采用金属催化剂, 通过改变原料及制备工艺也可制得SiC 纳米线。

这种纳米线的直径分布较均匀, 生长方向与金属催化法制备的较一致, 通常为[ 111] 方向。

Li J C 等[ 26] 采用碳热还原硅氧化物薄膜, 在Si 衬底上于 1 300 ! 下热处理 2 h, 得到了SiC 纳米线; 大量垂直或弯曲的纳米线分布于衬底上, 直径10~ 60 nm , 长度可达数十微米。

EDS 分析表明, 该纳米线中C、O及Si 的含量分别为59%、3% 及38% , O 含量很低但 C 含量较高, 说明这是一种富碳SiC 纳米线。

高分辨率透射电子显微镜( H RTEM ) 观察表明,该纳米线基本上为纯晶体结构, 不存在无定形氧化物外层。

而在 1 420~ 1 650下采用碳热还原SiO 2 干凝胶制备成的SiC 纳米线直径均匀, 外层覆有较厚的硅氧化物[ 27] 。

此外,陈静[ 28] 以纳米SiO 2 为硅源, 将蔗糖( C12 H22 O11 ) 碳化后为碳源并包裹纳米SiO 2颗粒, 在高温真空炉中合成了直径15~ 30 nm、长微米级的SiC 纳米线,制备温度为 1 300~ 1 340 , 反应时间为20~ 40min。

也有研究者[ 29, 30] 通过化学气相渗入法及碳热还原硅粉法, 在高于 1 000 时制备出了SiC 纳米线, 该纳米线为光滑弯曲结构, 长达几十微米, 甚至超过100 m, 大部分直径约100 nm , 仅少数小于50nm。

同时, 该纳米线含有厚度小于 5 nm 的无定形碳层, 纳米线结构经相应的SAED 分析确定为SiC, 线内含大量堆栈缺陷和微孪晶, 这与采用其他方法制备的SiC 纳米线相似。

最近, 还有研究者[ 31]采用高温自蔓延反应制备出了直径20~ 100 nm、长数微米的SiC 纳米线, 并通过X 射线光电子能谱确定该纳米线为富碳SiC 纳米线; 采用扫描隧道显微镜( ST M) 首次得到了SiC 纳米线的ST M 图像[ 32] ,观察到线表面为沟状结构, 主要由元素 C 构成。

2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施2.1研究工作的主要内容：（1）探究分析不同热处理温度对所制备SiC纳米线微观结构的影响规律；（2）探究分析不同催化剂含量对对所制备SiC纳米线微观结构的影响规律；（3）SiC纳米线晶体结构及微观形貌表征分析；（4）SiC纳米线生长机理探讨分析。

具体研究内容如下：设置不同温度条件(800℃.1000℃和1200℃)进行实验，探究分析不同热处理温度对所制备SiC纳米线微观结构的影响规律；采用Fe 为催化剂，设置不同催化剂含量（0.1%，0.3%，0.5%）进行实验，探究分析不同催化剂含量对对所制备SiC纳米线微观结构的影响规律；对所得试样进行样品分析，利用投射电镜(T EM)﹑和X射线衍射分析(XRD)对所得纳米线进行结构和物相组成分析；采用EDS测试手段来分析样品的表面形貌和元素组成；采用傅立叶红外光谱仪对所得纳米线进行红外光谱吸收测试。

2.2研究方案：将聚合物前驱体PCS首先在260度下交联固化4小时，然后将其与一定量的金属催化剂在陶瓷研钵中研磨混合均匀，混合粉末置于刚玉坩埚中并缓慢推入石英管式炉中，抽真空3次并用氮气置换管式炉中的空气，最后在流动氮气保护下以10度每分钟的速度升至所设置的温度(800℃.1000℃和1200℃)并保温两小时。