一维碳化硅纳米材料的制备、表征及性能研究

一维碳化硅纳米材料的制备、表征及性能研究

摘要

碳化硅（SiC）半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热稳定性好、热导率和饱和电子漂移速度大等特点，使其在高温、高频、强辐射、大功率等条件下具有良好的性能。而一维SiC纳米材料由于独特的形貌和结构特征，使其具有一些奇特的物理和化学性能，在纳米电子器件、纳米光电子器件、纳米场发射器件、纳米复合材料、催化等方面具有广泛的应用前景。因此，一维SiC纳米材料的制备及性能研究具有重要的意义。

本文选用不同的碳源与硅源，采用碳热还原法制备SiC纳米线，并探讨纳米线的规模化制备工艺；应用X射线衍射、场发射电镜、透射电镜和选区电子衍射等测试手段研究了SiC纳米线的相组成、形貌和微结构；应用荧光分光光度计、紫外-可见光谱仪和热重分析仪等仪器研究了SiC纳米线的光学性能、能带结构和抗氧化性能。在上述基础上，讨论了SiC纳米线的生长机理并分析影响其生长的因素；探索了SiC纳米线的结构与性能的关系；探讨了SiC纳米线的热稳定性能。主要结论如下：

首先，以正硅酸乙酯和炭黑为主要原材料，采用溶胶-凝胶碳热还原法制备了SiC纳米线，分析了影响纳米线生长的因素和生长机理，实现了对其形貌的有效控制。研究表明，SiC纳米线的形貌受温度、Si/C比和保温时间的影响：当温度为1500 o C、1550 o C和1600 o C时，分别制备了直线状纳米线、分级结构纳米线和纳米棒，其直径约为100-240nm；当Si/C=1:1时，纳米线的直径较均一且分级结构显著；保温时间太短，不利于分级结构纳米线的形成。透射电镜和选区电子衍射显示，纳米线的生长方向为(111)方向，且纳米线中

存在大量的堆垛层错和微孪晶。论文采用两部生长的气-固（VS）机制来解释分级结构纳米线的生长，即第一步为中心纳米线的快速生长，第二步为中心纳米线表面交替形成SiC x O y聚集体，聚集体表面吸附的SiO/CO气体反应使SiC沿着中心纳米线表面外延生长形成支状纳米碟。

光致发光光谱图显示SiC纳米线在2.87eV和3.06eV处出现了两个光致发光峰，位于2.87eV的发光峰可归因于3C-SiC的光致发光，与β-SiC体单晶（禁带宽度约为2.39eV）的发光特征峰相比，纳米线的发光峰有明显的蓝移，而位于3.06eV的发光峰可解释为由3C-SiC纳米线中堆垛层错形成的6H-SiC （禁带宽度约为3.02eV）引起的。紫外-可见漫反射光谱分析表明，SiC纳米线为间接带隙半导体，其禁带宽度约为2.60eV，与光致发光特征峰（2.87eV）较为接近。

以可膨胀石墨为碳源，工业硅粉为硅源，采用碳热还原法制备了SiC纳米线探索了其规模化制备工艺。研究表明：反应温度越高、SiC比越大，得到的产物中石墨杂质的含量越少，实验还发现原料混合不均匀、添加催化剂都不利于纳米线的生长。透射电镜和选区电子衍射表征发现，纳米线出现了树枝状和直线状形貌，其生长方向均为（111）方向，且纳米线中存在大量堆垛层错。论文采用气-固（VS）模式解释SiC纳米线的生长机理，提出可膨胀石墨高温膨胀后形成的蓬松多孔结构为SiC纳米线在温度超过400是开始氧化。氧化的SiC纳米线的光致发光谱显示，氧化后其光致发光峰出现了蓝移，这可能是氧化后核心SiC纳米线尺寸变小所致。

SiC纳米线在空气中的热稳定性能研究表明：通过碳热还原法制备的两种不同直径SiC纳米线的热重分析显示纳米线在温度超过450时开始氧化；射

线衍射分析表明，随着温度的身高，纳米线不断被氧化成二氧化硅；当温度达到1100时，纳米线形貌开始发生变化，其表面出现熔融并粘连，温度升高至1300时，直径较小的纳米线形成了多孔膜，而较大直径的纳米线中依然存在少量未熔融的纳米线；在此基础上提出的热氧化机理表明，SiC的氧化剂二氧化硅的熔融是导致纳米线形貌变化的主要原因。