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近年来,因在光、电、磁及机械力学等领域具有极大的应用前景,宽带隙半导体SiC一维纳米材料已经引起了人们极大的兴趣,成为低维纳米材料领域的重要研究热点之一。本文详细研究了采用化学气相反应法(CVR)在不同基片上(6H-SiC、C、Si)制备SiC一维纳米材料的工艺条件、产物形貌、微观结构、生长机理,并探索了SiC一维纳米材料的场发射特性。主要研究内容如下:
选用经球磨处理的Si-SiO2混合粉体作为硅源,高纯CH4作为碳源,分别选取KI、Ni作为催化剂,通过在立式真空可控气氛炉中进行一系列反应,在6H-SiC基片上制备出了不同形貌的SiC一维纳米材料,分别对其微观形貌、显微结构进行了分析。首次在6H-SiC基片上借助Ni的催化,成功制备出高质量的β-SiC一维纳米线阵列。分析表明:所得产物为立方结构的β-SiC晶体,纯度高且形貌均一,表面光滑无非晶氧化物包覆层,其具有一致的取向性,生长轴向为[111]方向。结合SiC纳米线阵列的生长条件与实验结果分析,提出了可能的生长机理:因为6H-SiC与β-SiC在一定范围内具有相同的原子层面ABC排列,在固-液界面析出晶体时容易出现原子层面的错排和成键的变化,生长出β-SiC纳米线阵列。这种机理也为其它纳米材料的阵列的制备提供了一种有效的方法和思路。
通过改变催化条件(无催化剂、Fe催化、Fe-Ni催化),分别在石墨基片上合成出了β-SiC纳米线、纳米棒及带有C包覆外层表面粗糙的纳米线。采用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)和高分辨透射电镜(HRTEM)等对产物进行了系统表征。结果表明:在反应条件下,各产物均具有核-壳结构,芯部为立方晶体结构的β-SiC,并且在纳米核心的内部有大量的晶体缺陷存在。结合经典的气-液-固(VLS)生长机制,提出了降温过程中动态饱和析出理论来解释在Fe-Ni催化条件下纳米线末端周期非晶层和β-SiC层的交替排列。通过对各产物进行场发射特性测试,得到了开启电场为1.5 V/μm满意结果。
采用CVR方法并选择Ni作为催化剂,研究了Si(100)基片对于制备SiC一维纳米材料的工艺参数、产物形貌、微观结构的影响规律;并在Si基片上成功制备出具有随机取向的SiC纳米线阵列。测试结果表明:所得产物为立方结构的β-SiC晶体,形貌均匀其直径为50~120 nm,且与基片呈一定倾角的随机取向分布。结合生长条件与实验结果分析,提出了晶格失配状态下的缓冲层导向生长理论。