高能微波輻照法制備SiC納米線及其光致發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、碳化硅(SiC)陶瓷材料因具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕以及耐摩擦等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于航天航空、機(jī)械電子、石油化工等眾多領(lǐng)域中。當(dāng)其尺寸進(jìn)入納米尺度后，SiC納米陶瓷除了具備SiC體材料的優(yōu)異性能外，還具備了特異的光、電、磁等特性，使其在微電子、納米器件等光電材料領(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)用前景。目前，多種方法都可以制得SiC納米陶瓷材料，但多存在合成效率低、工藝復(fù)雜、產(chǎn)物純度差和產(chǎn)率低等問題。而高能微波輻照法因其加熱速度快、選擇

2、性高、加熱均勻、熱慣性小以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是一種制備SiC納米陶瓷材料很有前途的方法。
　　本文利用高能微波輻照技術(shù)，在無模板、無基底、無催化劑的條件下，對(duì)SiC納米材料的均勻、可控合成進(jìn)行了探索。結(jié)合多種分析測(cè)試技術(shù)，本文對(duì)得到的SiC產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)以及光致發(fā)光特性進(jìn)行測(cè)試與表征，并對(duì)其光致發(fā)光機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)解析和評(píng)價(jià)。同時(shí)，利用電子背散射衍射技術(shù)，本文也對(duì)高能微波輻照條件下制得的SiC產(chǎn)物的生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了初步探究。除此之外，對(duì)

3、于高能微波技術(shù)在功能材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用，本文進(jìn)行了初步的探索。主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1) SiC的微波合成制備:
　　利用高能微波輻照技術(shù)，僅以Si粉、SiO2粉和人造石墨等為原料，在無模板、無基底、無催化劑的條件下，可以快速大量的得到β-SiC納米線。并且根據(jù)坩堝中的部位不同，所得SiC呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。坩堝上層為亮綠色粉末，較為純凈，主要為直徑約150nm的納米棒，并含有部分微米級(jí)SiC晶粒，表面氧化跡象不明

4、顯。其余部分產(chǎn)物呈灰綠色，主要是直徑約20-50nm的SiC納米線，表面包覆2-10 nm非晶態(tài)SiO2層。反應(yīng)過程簡(jiǎn)單易操作、可控性強(qiáng)，并且產(chǎn)物純凈，無需再進(jìn)行復(fù)雜的純化過程。通過改變合成工藝參數(shù)，可發(fā)現(xiàn)原料中碳源、硅源種類，加熱溫度，保溫時(shí)間等都是影響SiC產(chǎn)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)機(jī)制的重要因素。
　　(2)微波輻照條件下的SiC的生長(zhǎng)機(jī)制:
　　利用多種表征手段，在對(duì)β-SiC納米線、微米晶等進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征、解析的基礎(chǔ)上

5、，對(duì)微波輻照條件下的SiC的生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，合成的納米線沿<111>方向生長(zhǎng)，與得到的SiC微米級(jí)晶粒類似?；诖罅康膶?shí)驗(yàn)證據(jù)，確認(rèn)了微波輻照條件下SiC的生長(zhǎng)符合“基于光滑界面的二維形核-層狀生長(zhǎng)機(jī)制”。此外，利用EBSD技術(shù)對(duì)β-SiC的晶面演變進(jìn)行了原位的鑒別和分析，發(fā)現(xiàn)SiC的{211}面在生長(zhǎng)過程中逐漸被超覆，并通過{421}過渡晶面而逐漸演變?yōu)閧220}晶面。EBSD的原位表征為上述生長(zhǎng)機(jī)制提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

6、。
　　(3)光致發(fā)光功能特性的研究:
　　對(duì)SiC納米線進(jìn)行光致發(fā)光(PL)性能的研究發(fā)現(xiàn)，在室溫下用240 nm的氙光光源可以激發(fā)出390 nm(3.18 eV)左右的近紫外發(fā)射，與體材料及多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的SiC納米產(chǎn)物在410-470nm范圍的藍(lán)光發(fā)射峰相比，本課題所得到SiC納米產(chǎn)物的譜峰發(fā)生了更明顯的藍(lán)移。初步分析譜峰藍(lán)移的原因可能是高能微波作用下，產(chǎn)物中形成了大量的氧空位、堆垛層錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷所致。而在近紫外區(qū)域的發(fā)

7、光，為根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的要求而進(jìn)行SiC納米線的結(jié)構(gòu)、性能調(diào)控提供了更廣闊的空間，有利于拓展一維納米結(jié)構(gòu)SiC的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　(4)相關(guān)研究?jī)?nèi)容的初步探索:
　　本文利用高能微波輻照技術(shù)，對(duì)于其它形態(tài)SiC一維納米材料和C/SiC復(fù)合纖維的制備也進(jìn)行了初步的探索。研究發(fā)現(xiàn)，高能微波輻照條件下，多種形態(tài)的SiC納米線、具有不同核/殼厚度比的SiC/SiO2同軸納米線、含有豐富結(jié)構(gòu)缺陷的SiC納米線，以及結(jié)晶性良好的SiC微晶均可