碳热还原制备碳化硅纳米线及其性能研究

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第三代宽带隙半导体SiC材料以其大的禁带宽度,高的熔点和硬度、高的热导率、高的临界击穿电场、高的电子饱和迁移率、抗辐射能力强以及机械性能好等特性,是制作大功率、高频、低能耗、耐高温和抗辐照器件的理想材料而受到人们的广泛关注。最近研究表明,与块体SiC材料相比SiC纳米线具有优异的光、电和机械等性能,在金属基、陶瓷基和聚合物基增强复合材料,制备发光二极管、大功率晶体管等电子和光电子纳米器件,场发射阴极材料,光催化,储氢和自清洁薄膜等许多领域都有着广泛的应用前景。因此研究SiC纳米线的制备及性能具有重要的意义。本文采用碳热还原Si02在常压无金属催化剂的条件下制备SiC纳米线,结合X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)等分析测试方法,分析了SiC纳米线的成分、形貌和微观结构。研究了影响碳热还原制备SiC纳米线的工艺参数,反应过程热力学并提出了SiC纳米线的生长机理。最后对制备的SiC纳米线的发光性能、场发射性能和光催化性能进行了研究。论文主要包括以下几个方面:1.在常压下,以竹炭为碳源,C和Si02的摩尔比为3,在反应电流536A(1400℃)下反应20分钟,制备了p-SiC纳米线,纳米线具有核-壳结构,内层为单晶p-SiC,外层为无定形Si02。纳米线分布紊乱,表面粗糙,直径在50~200 nm之间,长度可达几百微米,沿着<111>方向生长。2.研究了碳源、配碳量、反应电流和反应时间等实验参数对碳热还原制备SiC纳米线形貌的影响,并提出了生长机理。研究结果表明,不同实验参数下所制备产物的晶体结构都为p-SiC,但形貌差别很大。在不同的配碳量下分别制备了片状、竹节状、宝塔状和珠状的SiC纳米结构;反应电流(温度)对SiC纳米线的形貌具有决定性的影响,在较低的反应电流(温度)下,过饱和度太小不能形成稳定的晶核,SiC纳米线的产率低;电流(温度)太高时,过饱和度太大有利于生成SiC纳米颗粒而不利于SiC纳米线的生成;反应时间对SiC纳米线的产率和直径影响不大,随着反应时间的延长,纳米线的长度不断增加,表面逐渐光滑。由于在反应过程中没有引入金属催化剂,而且FE-SEM和TEM分析表明纳米线尖端没有金属催化剂小滴,我们制备的纳米线是以气-固生长机制生长。3.研究了SiC纳米线的室温光致发光性能、场发射性能和光催化性能。在275 mn波长的光激发下,SiC纳米线在300 nm处有强的紫外光发射峰;SiC纳米线的场发射性能可通过退火热处理来增强,在700℃退火3h之前和之后的开启场强分别为9.5V/μm和7.5 V/gm,其场发射机理为量子隧道机理;在紫外光照射6h后,SiC纳米线降解亚甲基蓝溶液效率高达72.2%。
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