碳化硅纳米线的制备与性能研究进展

碳化硅纳米线的制备与性能研究进展×××××××××××××学校西安邮编×××摘要： SiC半导体材料的禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、饱和漂移速度高等特点使其在高频、高温、高功率、抗辐射等方面有良好的性能，被认为是新一代微电子器件和集成电路的半导体材，因此研究SiC纳米线材料具有重要意义。

Summary: SiC semiconductor materials with the big breakdown electric field width, high, thermal conductivity, saturated drifting velocity higher characteristic in the high frequency and high temperature, high power, resist radiation and good performance, and is considered to be a new generation of microelectronics devices and integrated circuit of the semiconductor material, so the study of SiC nanowires material to have the important meaning.关键词：纳米线,SiC,场效应晶体管,薄膜晶体管,光催化降解Key words: Nanowires, SiC, field effect transistor, thin film transistor, photocatalytic degradation.1 纳米材料的性能纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1—100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。

纳米材料具有量子尺寸效应、小体积效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，这使得纳米体系的光、电、磁、热等物理性质与常规块体材料不同，出现许多新奇的特性[1]。

纳米材料是一种全新结构的材料，具有独特的结构特性，包括电子弹道输运效应和库仑阻塞等，使其在光学、电学、磁学、催化以及传感器方面具有广阔的应用前景。

纳米材料的特性主要表现四种效应：①小尺寸效应；当超细微粒光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等的物理特征尺寸相近或更小的时候，其周期性的边界条件受到破坏，因此在光、热、电、声、磁等的物理特性方面都会出现一些新的效应，称为小尺寸效应；②表面与界面效应：纳米微粒的表面积很大，表面的原子数目所占比例很高，大大增加了纳米粒子的表面活性表面粒子的活性不但会引起微粒表面原子输运和构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；③量子尺寸效应：当粒子尺寸降低到最低尺寸时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象，当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应，它能导致纳米粒子的磁、光、电、声、热、超导等特性显著不同；④宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应，量子尺寸效应、隧道效应将是未来微电子器件的基础，或者说它确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。

小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应，都是纳米粒子与纳米固体材料的基本特性，是纳米微粒和纳米固体出现与宏观特性反常的原因。

由于纳米材料有很大的表面积，体积比，界面处的杂质浓度大大降低，因而与普通材料相比具有更好的力学性质，如断裂应力提高、范性增强等。

．2 SiC纳米材料自从1991年日本科学家饭岛[2]发现了碳纳米管以后．推动了整个准SiC纳米材料的研究。

SiC纳米材料是纳米材料中的一种重要的低维材料，其研究的范围和程度越来越广。

[3-6]SiC材料，如纳米线和纳米管，比零维和二维材料具有更优越的物理和电学性能。

而且，SiC系统具有最小的尺寸结构，可以被有效地应用于电子传输和光子激发上。

因此，科学家希望把它们应用在纳米功能集成电子器件上。

但是，人类对其性质了解还是很少的。

SiC纳米结构应用很广泛，包括应用在纳米电子器件，超强超硬复合材料，功能纳米结构材料等等。

近几年里，人们利用各种方法又陆续合成了多种准SiC纳米材料，如纳米管、纳米棒、纳米线、半导体量子线、纳米带和纳弹簧等。

随着准SiC 纳米材料种类的增多，人们将进一步研究纳米结构和SiC纳米材料的性能，建立SiC纳米材料的新理论推动它们在纳米结构器件中的应用。

总之，SiC纳米材料，是研究其它低维材料的基础，能广泛应用于纳电子器件及微型传感器中，可以在纳米导线、开关、线路及高性能光导纤维等方面发挥极大的作用，成为近年来国内外研究的前沿学科。

．3 SiC纳米线的基本性质在半导体材料的发展中，一般将Si、Ge称为第1代电子材料，GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第2代电子材料，而将宽带隙高温半导体SiC、GaN、AIN、ZnSe、C·BN金刚石等称为第3代半导体材料。

随着科学技术的发展，迫切需求在极端条件(如高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件．诸如Si、GaAs等常规半导体已面临严峻挑战，所以发展宽带隙半导体材料显得更加重要。

在这些材料中，SiC被称为“应用潜力巨大的极端电子学材料”。

SiC结构中结构单元是Si—C原子以共价键结合而成的正四面体，ll碳原予位于正四面体的中心，每个碳原子周围有四个Si原子，反之亦然，相邻的两个正四面体共用顶角上的一个原子。

SiC多型体就是由这些基本的结构单元在空间密排堆垛而成，显示明显的层状结构。

SiC作为C和Si唯一稳定的化合物，其晶格结构由致密排列的两个亚晶格组成，每个SI(或C)原予与周边包围的C(Si)原子通过定向的强四面体剐sp3键结合，虽然SiC的四面体键很强，但层错形成能量却很低，这一特点决定了SiC的多型体现象，迄今为止已发现的250余种多型体，每种多型体的C/Si双原子层的堆垛次序不同。

显著特征为所有的多型体均由相同的Si-C双层堆垛而成，结构之间的差别仅在于沿c轴方向的一维堆垛顺序不同以及c轴的长短不同。

密堆积有3种不同的位置，记为A，B，C。

依赖于堆积顺序，SiC键表现出立方闪锌矿或六方纤锌矿结构。

如堆积顺序为ABC’ ABC...，则得到立方闪锌矿结构，记作3C-SiC或β-SiC (c=cubic)．这是唯一一种纯立方结构的晶型。

β-SiC的原胞为闪锌矿结构，密排面为{111}面，密排方向为(110)方向；其它所有六方结构类型统称为α-SiC，原胞通常采用六角点阵来描述，c轴可为六次或三次对称轴，晶格常数为a=b=O．3078nm，c=n*0．251 nm(其中n为单胞内的堆垛层数)，密排面为{0001}面，密排方向为(1120)方向。

若堆积顺序为AB，AB⋯，则得到纯六方结构，记为2H-SiC(H=hexagonal)，其它多型体为以上两种堆积方式的混合。

两种最常见的六方晶型是4H和6H，其堆积方式分别为ABCB，ABCB⋯和ABCA CB，ABCACB⋯。

不同SiC多型体在Si-C双层密排面的晶格捧列完全相同，它们有相同的化学性质，但是在物理性质，特别是在半导体特性方面表现出各自的特性。

在所有同质多型体中，β-SiC是唯一具有立方晶体结构的相，并且β-SiC的键能最小、晶格自由能最大。

因此，β-SiC 最易成核，且需要的生长温度最低。

SiC具有高硬度、高熔点、高化学稳定性和抗辐射能力。

其中3C·SiC(β-SiC)较适宜于制造高温半导体器件。

此外，SiC具有优良的抗辐射特性(>105W／cm2)SiC器件抗辐射能力比Si器件高10—100倍；高的击穿临界场强，载流子寿命和扩散长度随温度增加而增加。

它还有高的声波传播速度(7—8km／s)。

可用作声表面波功能器件；在宽的可见波(特别是短波长)有发光效能。

这些优越性能使其成为制造电子和光电予器件的理想材料。

另外，对纳米的SiC进行高温处理和掺杂不同元素，就可以使SiC 吸收剂具有质轻、吸收频带宽等特点，对雷达波具有强吸收的吸收和衰减效果，一般来说，β-SiC吸收性能优于α-SiC．在所有同质多型体中，β-SiC是唯一具有立方晶体结构的相，并且β-SiC的键能最小、晶格自由能最大。

因此，β-SiC最易成核，且需要的生长温度最低。

SiC具有高硬度、高熔点、高化学稳定性和抗辐射能力．其中3C．SiC (β-SiC)较适宜于制造高温半导体器件。

此外，SiC具有优良的抗辐射特性(>105W／cm2)SiC器件抗辐射能力比Si器件高10—100倍；高的击穿临界场强(22"107cm／s)，载流子寿命和扩散长度随温度增加而增加。

它还有高的声波传播速度(7—8km／s)。

可用作声表面波功能器件；在宽的可见波(特别是短波长)有发光效能。

这些优越性能使其成为制造电子和光电予器件的理想材料。

另外，对纳米的SiC进行高温处理和掺杂不同元素，就可以使SiC吸收剂具有质轻、吸收频带宽等特点，对雷达波具有强吸收的吸收和衰减效果，一般来说，β-SiC 吸收性能优于α-SiC。

[7]．4 SiC纳米线的制备方法目前制备SiC纳米线主要有气相反应法和固相法两类。

下面就简单介绍几种常见的制备SiC纳米线方法：4．1 化学气相沉积法(CVD)气相沉积法应用很普遍，可以合成高纯度的SiC。

[8-9]主要有以下几种途径：利用有机硅化合物，如Si(CH3)，CH3SiC l3等在1100—150013温度范围内热分解或氢还原，即CHiCl3+H2→SiC+3HCI+Hi(载体)；或者SiC l4等卤化物和CC l4或烃类1200-1500℃的范围内的氢还原反应，即SiC l4+CoHy+H2→SiC+HcI或利用简单的实验设备，特殊的金属丝做触媒，以Si02和C为原料，利用碳热还原反应生成SiO和CO，通过CVD方法来合成SiC纤维．中科院的孟国文[10]等人也用此种方法制备了SiC 纳米线，具体过程为：将含有Fe(N03)s的柱状活性炭罱于炉内，炉内抽成真空后通入0．1MPa的高纯Ar气，经4h加热到1200℃。

接着以H2气为载气将SiC l4载入炉内，在1200℃保温1．5h，整个过程中一直通入Ar气(1500ml／min)，以保证管道气路畅通无阻。

在1200℃下，SiCl．与H2反应生成Si，由于活性炭中Fe的催化作用，Si与C反应生成单晶SiC纳米线，直径为10nm左右，长度为几微米到十几微米。