熔盐辅助制备SiC纳米线及其光致发光性能研究

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SiC是第三代半导体核心材料之一,具有宽带隙、大热导率、高电子饱和速率、高电子击穿强度以及优良的化学稳定性等特点,在高频、高温、高密度、大功率的集成电子器件、以及发光和光探测器件中具有良好的应用前景。与传统的SiC纳米结构材料相比,具有一维纳米结构的SiC材料具有更加优良的力学、光学和场发射等性能。本文采用熔盐辅助碳热还原法和熔盐辅助气相沉积法,先后制备出了一维“直线状”、“竹节状”和超长“壳核结构”的SiC纳米结构材料,研究了工艺参数、原料种类、催化剂、合成温度等对SiC纳米线的显微结构和形貌的影响,此外,还测试了合成的SiC纳米线的光致发光性能。主要结果归纳如下:  采用熔盐辅助碳热还原法,以 SiO2微粉和酚醛树脂为原料,以 NaCl-NaF为熔盐辅助介质,在1450℃条件下保温4h,合成了表面光滑的β-SiC纳米线,其直径为100-150nm,长度约10μm。与传统碳热还原法相比,合成温度降低了100-150℃。SiC晶体生长机制为沿垂直于β-SiC晶体的(111)晶面方向生长的“气相-固相”生长机制。同时,在β-SiC晶体的(111)晶面方向上有少量的堆积缺陷存在。合成产物的光致发光性能表现为蓝、紫光,与传统报道的碳化硅材料相比,表现出一定的蓝移现象。  以SiO2微粉为硅源,以蔗糖为碳源,NaCl-NaF为熔盐介质时,在1450℃条件下,合成了壳核结构SiC/SiO2的纳米线,其直径为50-150nm,长度约5μm,显微形貌呈现"直线状"和"竹节状"两种形貌。SiC/SiO2纳米线的晶体生长机制仍为"气相-固相"生长机制,主要为沿垂直于β-SiC的(111)晶面方向层层堆积而成,并且产生的堆积缺陷对晶体的生长、显微结构和形貌具有重要的影响,纳米线的SiO2壳层可能是在降温过程中形成的。  在碳热还原合成SiC纳米线工作的基础上,引入催化剂Fe(NO3)3·9H2O,、Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O,SiC纳米线的合成温度降低了100℃,合成产物中的“竹节状”纳米线多数转变为为“直线状”结构。  在熔盐辅助碳热还原法的基础上,以SiO2微粉和酚醛树脂为原料,引入催化剂(Ni(NO3)2),通过实验设计,在1400℃下,采用气相沉积合成了超长壳核结构SiC/SiO2纳米线,其长度达800μm,直径为150-500nm。本实验为一步合成,不需要纳米颗粒与纳米线的分离与除碳过程。纳米线生长机制为:由“气相-液相-固相”(纳米晶体的成核和前期生长阶段)和“气相-固相”(纳米线后期生长阶段)共同主导。合成的超长SiC/SiO2壳核结构纳米纤维的光致发光性能,表现出更明显的蓝移现象。  最后,以单质Si粉和酚醛树脂为原料,以硝酸镍为催化剂,在1350℃条件下,通过熔盐辅助气相沉积法合成了单晶超长 SiC纳米纤维,纤维直径为100-300nm,长度为毫米级。且表现出良好的光致发光性能,同时,也出现明显的蓝移现象。纳米线的生长机理为"气相-液相-固相"和"气相-固相"生长机制共同作用。
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