碳化硅一維納米結(jié)構(gòu)的制備與性能研究.pdf

1、一維碳化硅(1D-SiC)納米材料,作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,以其寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高擊穿電場(chǎng)、高電子遷移速率、高硬度、強(qiáng)的抗氧化及化學(xué)穩(wěn)定性等特性在電子、納米光電器件、納米復(fù)合材料、超疏水器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)現(xiàn)1D-SiC納米結(jié)構(gòu)的可控、大量制備,并對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理、物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究具有重要意義。
　　 本文采用干凝膠-碳熱還原法,在Ar氣氛下高溫反應(yīng)得到1D-SiC納米材料,并通過改進(jìn)凝膠工藝、選用不同碳源(

2、炭黑、竹炭),實(shí)現(xiàn)了3C-SiC塔形納米線、6H-SiC超長(zhǎng)納米線的可控制備;采用粉末X射線衍射、場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、選區(qū)電子衍射等表征手段研究了產(chǎn)物的物相、微觀形貌、微結(jié)構(gòu)等性質(zhì);采用傅里葉變換紅外光譜儀、激光拉曼光譜儀、紫外可見.漫反射光譜儀研究了產(chǎn)物的振動(dòng)光譜及光學(xué)帶隙;探討了SiC納米線的生長(zhǎng)機(jī)理,并研究了其高溫抗氧化、光催化等性質(zhì)。論文主要研究結(jié)論如下:
　　 以炭黑-二氧化硅干凝膠為原料,通過碳熱還

3、原反應(yīng)得到塔形一維SiC納米線。產(chǎn)物主要為立方結(jié)構(gòu)的SiC,沿[111]晶向擇優(yōu)生長(zhǎng),產(chǎn)物內(nèi)部存在非均勻分布的堆垛層錯(cuò)及微孿晶;在不同反應(yīng)溫度、C/Si摩爾比(0.5-3)條件下得到具有不同形貌、尺寸的3C-SiC納米線,并得到制備塔形納米線的最佳工藝條件為1550℃、C/Si=1、5 h。塔形納米線的生長(zhǎng)過程遵循氣-固-外延(VSE)模式,即氣-固反應(yīng)得到中軸納米線,再通過外延生長(zhǎng)形成塔狀結(jié)構(gòu)。
　　 采用竹炭為原料,通過快速

4、凝膠化得到竹炭-二氧化硅二元干凝膠,在Ar氣氛下,碳熱還原分別得到3C-SiC、6H-SiC納米線。由于竹炭自身高的孔隙度,確保了反應(yīng)過程中持續(xù)、充足的氣體供給,實(shí)現(xiàn)了SiC納米線的高效制備。研究表明,反應(yīng)溫度、C/Si摩爾比對(duì)產(chǎn)物的形貌、尺寸有一定的影響,6H-SiC納米線制備的最佳工藝條件為1450℃、C/Si=1、5 h。不同結(jié)構(gòu)與形態(tài)的SiC納米線的形成主要受氣體過飽和度的影響,高過飽和度情況下主要得到3C-SiC納米線,低過飽

5、和度情況下則為6H-SiC納米線,并提出了氣-固生長(zhǎng)條件下,由螺位錯(cuò)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的納米線生長(zhǎng)模式。此外,實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)部分特殊形貌的產(chǎn)物,如,“突變結(jié)”納米線、納米帶、Y型納米線等。
　　 論文還研究了SiC納米線的紅外和紫外光譜、光催化和高溫抗氧化等性質(zhì)。傅里葉變換紅外光譜表明制備的SiC納米線表面存在一定的殘余碳顆粒;3C-SiC納米線的紫外可見-漫反射光譜表明,產(chǎn)物為具有間接帶隙特點(diǎn)的納米半導(dǎo)體,其光學(xué)帶隙為2.86 eV;3C