不同形貌SiC一維納米材料的合成、機理及性能研究.pdf

1、近年來寬帶隙半導(dǎo)體SiC一維納米材料已經(jīng)引起了人們極大的研究興趣，成為低維材料科學(xué)領(lǐng)域的重要研究熱點之一。這些SiC一維納米材料由于自身獨特的形貌特征及優(yōu)異的性能使其在光、電、磁以及力學(xué)等方面具備廣泛的應(yīng)用前景。 本文詳細研究了采用化學(xué)氣相反應(yīng)法合成不同形貌SiC一維納米材料的工藝條件以及產(chǎn)物的微觀形貌、顯微結(jié)構(gòu)、生長機理，初步探索了鏈狀SiC一維納米結(jié)構(gòu)的拉曼光譜及熒光光譜特性。主要結(jié)論如下： 選用球磨處理的Si-Si

2、O2混合粉體及高純CH4為反應(yīng)物，以自制石墨模具作為反應(yīng)室，在立式真空可控氣氛爐中通過一系列反應(yīng)，分別以硝酸鐵和硝酸鎳為催化劑，在石墨基片上成功制備出高質(zhì)量的β-SiC納米棒和納米線。分析表明：所得產(chǎn)物純度高且形貌均一，直徑尺寸均勻，表面光滑無非晶氧化物包覆，為立方結(jié)構(gòu)的β-SiC晶體，生長軸向為[111]方向。針對β-SiC納米棒和納米線分別提出了可能的生長機理：Fe催化條件下，由于Fe-C-Si三元合金體系隨著組成成分濃度的變化而發(fā)

3、生相變，SiC納米棒通過周期性的氣-液-固(PERIODIC-VLS)生長機制形成；Ni催化條件下，由于Ni-C-Si合金體系無相變過程發(fā)生，SiC納米線通過連續(xù)性的氣-液-固(CONTINUOUS-VIS)生長機制形成。 無模板空間限域，無催化劑輔助生長條件下，于石墨基片上成功制備出周期復(fù)合型SiC/SiO2納米鏈。采用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)、選區(qū)電子衍射(SAED)和高

4、分辨透射電鏡(HRTEM)等對產(chǎn)物進行了系統(tǒng)表征，結(jié)果表明：產(chǎn)物純度較高，具有兩相復(fù)合的鏈狀形貌，芯部為立方晶體結(jié)構(gòu)的β-SiC納米線，直徑約20-30nm，內(nèi)部有大量的晶體缺陷存在，其生長方向為[111]方向，外部為周期包覆的非晶SiO2納米球，球的直徑約100nm。提出了兩個階段的氣-固(VS)生長機制對該產(chǎn)物的形成過程進行了較詳細的討論。初步探索了該周期復(fù)合型SiC/SiO2納米鏈的拉曼光譜和熒光光譜特性，發(fā)現(xiàn)其不同于塊體材料的優(yōu)

5、異光學(xué)性能。 通過調(diào)整和控制化學(xué)氣相反應(yīng)過程中的氣壓條件，無模板限域且無催化劑輔助條件下，在石墨基片上成功制備出螺旋及準(zhǔn)螺旋SiC/SiO2同軸納米電纜，分析結(jié)果表明：產(chǎn)物具有典型的核-殼雙層結(jié)構(gòu)，芯部是β-SiC納米線，外部是非晶體SiO2包覆層，納米電纜的直徑30-50nm，外觀呈現(xiàn)出典型的螺旋形貌，螺旋直徑約100-150nm，長達十幾微米。討論了產(chǎn)物的生長過程：在芯部納米線的生長過程中，SiC晶體的結(jié)構(gòu)基元Si—C4在堆

6、垛生長過程中，由于反應(yīng)氣壓的持續(xù)增大使其水平錯動位移隨之增大，運動軌跡為螺旋形，從而生成外觀輪廓為螺旋狀的SiC納米線，隨后殘余的SiO氣體在冷卻過程中均勻地包覆于納米線的外部形成同軸納米電纜。 采用電化學(xué)氧化法處理鋁基片得到了具有納米級孔徑的高質(zhì)量多孔陣列均勻分布的Al2O3薄片，并以此為輔助模板通過簡單化學(xué)氣相反應(yīng)法成功制備出形狀非常規(guī)則的SiC納米鏈，鏈部直徑尺寸約30nm，鏈間納米線的直徑約10-15nm，產(chǎn)物長達數(shù)十微