碳化硅材料的合成與表征.pdf

1、SiC半導(dǎo)體材料是第三代寬帶隙(WBP)半導(dǎo)體材料。由于具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等優(yōu)異的性質(zhì),所以在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。本論文在對碳化硅納米材料的合成、應(yīng)用等方面的發(fā)展現(xiàn)狀進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,采用幾種簡單的方法(硅粉為硅源,金屬單質(zhì)為還原劑,鹵代烴CHI3、CBr4、CHCl3及CH2Cl2和CCl4的混合物為碳源)制備了3C-SiC納米線和微米級多面體,并對其

2、物相、形貌、光學(xué)及熱穩(wěn)定性等進行了表征。主要內(nèi)容概括如下:
　　 1.低溫制備SiC納米線和微米級多面體及其控制生長。
　　 以硅粉為硅源,CHI3為碳源,金屬Na為還原劑在230℃條件下,于高壓反應(yīng)釜中成功制各出碳化硅納米線;當(dāng)反應(yīng)物用量均加倍,在500℃條件下可以制得大量碳化硅多面體。粉末X-射線衍射(XRD)顯示制得的碳化硅納米線樣品為面心立方結(jié)構(gòu)(3C-SiC),計算所得晶格常數(shù)a=4.359 A,與JCPDS卡

3、片值(No.65-0360,a=4.358 A)接近。透射電子顯微鏡(TEM)照片顯示所得3C-SiC納米線的直徑主要分布在10-80 nm,長度有幾微米,其生長方向為[111]。值得一提的是,所得的碳化硅納米線中有約三分之一為彎曲納米線。根據(jù)實驗結(jié)果分析并結(jié)合相關(guān)的文獻報道,該實驗中SiC納米線可能的形成機制為氣-液-固(VLS)生長機理。XRD衍射花樣證實多面體樣品也是面心立方相的碳化硅(3C-SiC)。場發(fā)射掃描電鏡顯示多面體具有

4、光滑的表面,直徑為2-5μm。熱重分析(TGA)顯示立方碳化硅多面體樣品在1100℃以下具有極好的熱穩(wěn)定性,即使在1200℃也只有很微量增重,這表明該樣品有很強的抗氧化性;室溫光致發(fā)光測試(PL)顯示3C-SiC納米線和微米級多面體樣品分別在360和354 nm處有強的發(fā)射峰。
　　 此外,以硅粉為硅源,CHI3為碳源,金屬K為還原劑在140℃條件下,也成功制備出了立方相碳化硅納米線(30％)和多面體(70％);然而,若把還原劑

5、換成金屬鎂粉,即使反應(yīng)溫度升高到600℃也不能合成出碳化硅。
　　 2.制備SiC支晶納米線。
　　 300℃條件下以硅粉為硅源,CBr4為碳源,金屬Na為還原劑,成功制備出了碳化硅支晶納米線。X-射線粉末衍射(XRD)顯示制得的樣品為面心立方相的碳化硅,晶格常數(shù)a=4.355 A,與JCPDS卡片值(So.65-0360,a=4.358 A)接近;透射電子顯微鏡(TEM)顯示碳化硅納米線存在支晶結(jié)構(gòu),其納米線直徑為20

6、-50nm,長度有幾微米,選區(qū)電子衍射(SAED)表明樣品為單晶SiC;高分辨透射電鏡(HRTEM)顯示相鄰的晶格條紋間距約為0.25 nm,與3C-SiC的(111)面間距相一致,其生長方向為[111]。光致發(fā)光測試(PL)顯示樣品在355 nm左右有一個強的發(fā)射峰。此外,當(dāng)反應(yīng)體系中的金屬還原劑改為金屬K時,也可以成功制備出面心立方相的碳化硅納米線。
　　 3.溶劑熱法制備碳化硅材料。
　　 通過溶劑熱法以硅粉為硅源

7、,CHCl3為碳源,金屬Na為還原劑在高壓反應(yīng)釜中350℃條件下制得了碳化硅納米線。粉末X-射線衍射(XRD)顯示得到的樣品為面心立方相的碳化硅(3C-SiC),晶格常數(shù)a=4.357 A,與JCPDS卡片值(No.65-0360,a=4.358 A)基本吻合;透射電子顯微鏡(TEM)照片顯示所制得的碳化硅形貌主要是納米線和六方塊結(jié)構(gòu),納米線的直徑約為20-50 nm,長度為十幾微米。高分辨透射電鏡(HRTEM)顯示相鄰的晶格條紋間距約