C-Si粉体反应制备SiC纳米线及合成机理研究

论文摘要

本文以高能球磨后的C、Si纳米粉末为原料,在9001450℃反应合成了βSiC纳米线。利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散谱分析（EDS）、X射线衍射分析（ XRD）、透射电子显微镜（ TEM）、高分辨电镜（HRTEM）、傅里叶变换红外光谱（FT IR）及拉曼光谱（Raman）等多种分析测试手段对SiC纳米线的形貌、结构以及光谱性能进行了表征;研究了制备工艺中不同基片、反应温度、保温时间、环境气氛和粉体中的碳硅比等因素对SiC纳米线生长的影响;通过热力学理论计算,分析了SiC纳米线生长的生长过程及生长机理。对形貌观察发现,SiC纳米线大量生长,直径在十几到几十个纳米的范围内,粗细均匀,纳米线较长,可达到几百个微米。纳米线的表层存在一层均匀的SiOx非晶层,厚度约为十几个纳米。纳米线主要有直线交错状和弯曲缠绕状两种形态,局部有分叉现象。对纳米线进行结构分析表明,本方法制备的纳米线为面心立方结构的βSiC。SiC纳米线中存在堆垛层错、孪晶等结构缺陷,孪晶面由{111}面组成,纳米线的生长方向为<111>方向。各影响因素对SiC纳米线制备的影响:低温下纳米线弯曲生长,直径较细,随着制备温度的升高,SiC纳米线逐渐变为直线生长,直径也变粗;纳米线的生长存在一个孕育期,在1000℃、真空条件下制备时,SiC纳米线生长的孕育期约为90120min;在Si基片上制备SiC纳米线时,增加粉体中碳粉的比例,有利于SiC纳米线的生长,当采用纯C粉和Si基片反应制备SiC纳米线时,可以得到没有SiOx非晶层外壳的SiC纳米线。SiC纳米线的生长满足热力学条件, Si（s,l）+C（s）→SiC（s）,SiO（g）+3C（s）→SiC（s）+2CO（g）, 3SiO（g）+CO（g）→SiC（s）+2SiO2 （g）等反应是本方法合成SiC纳米线主要反应形式。反应中的SiO和CO气体来自于C Si纳米粉体的氧化。SiC纳米线主要通过C粉吸附SiO气体发生气固反应,或SiO和CO直接发生气相反应形成SiC晶核的,在C Si纳米粉体球磨时产生的SiC纳米晶粒起到了籽晶的作用。在生长过程中,纳米线的Si/SiOx端头充分吸收了周围的Si、C、SiO及CO,从中达到过饱和析出,维持纳米线的生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料简介
• 1.1.1 纳米材料的发展
• 1.1.2 纳米材料的性能
• 1.2 一维纳米材料
• 1.3 一维SiC 纳米材料
• 1.4 SiC 纳米线的制备方法
• 1.4.1 碳纳米管模板生长法
• 1.4.2 碳热还原法
• 1.4.3 电弧放电法
• 1.4.4 微波加热法
• 1.4.5 激光烧蚀法
• 1.4.6 化学气相沉积法
• 1.5 SiC 纳米线的生长机理
• 1.5.1 VLS 机制
• 1.5.2 VS 机制
• 1.5.3 Solution LS 机制
• 1.5.4 SLS 机制
• 1.5.5 氧化物辅助生长
• 1.6 纳米线的表征方法
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验仪器设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 X 射线衍射
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 透射电子显微镜
• 2.3.4 红外光谱仪
• 2.3.5 拉曼光谱仪
• 第3章 SiC 纳米线的制备及表征
• 3.1 高能球磨制备C Si 纳米粉体
• 3.1.1 C Si 粉体球磨工艺
• 3.1.2 球磨过程中粉体反应分析
• 3.2 SiC 纳米线的制备
• 3.2.1 真空条件下制备SiC 纳米线
• 3.2.2 氩气保护条件下SiC 纳米线
• 3.3 SiC 纳米线的表征
• 3.3.1 SiC 纳米线的SEM 形貌表征
• 3.3.2 SiC 纳米线的EDS 分析
• 3.3.3 SiC 纳米线的XRD 测试
• 3.3.4 SiC 纳米线的TEM 及HRTEM 表征
• 3.3.5 SiC 纳米线的FT IR 图谱分析
• 3.3.6 SiC 纳米线的Raman 图谱分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 SiC 纳米线生长的影响因素
• 4.1 不同基片上制备SiC 纳米线
• 4.1.1 Si 基片上制备SiC 纳米线
• 4.1.2 石墨基片上制备SiC 纳米线
• 4.1.3 氧化铝陶瓷基片上制备SiC 纳米线
• 4.2 制备温度对SiC 纳米线生长的影响
• 4.3 保温时间对SiC 纳米线生长的影响
• 4.4 环境气氛对SiC 纳米线生长的影响
• 4.5 粉体中碳硅比对SiC 纳米线生长的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 SiC 纳米线的生长机理
• 5.1 SiC 纳米线生长热力学
• 5.1.1 材料热力学基础理论
• 5.1.2 反应生成焓ΔH 及吉布斯自由能变ΔG 的计算
• 5.2 SiC 纳米线生长过程分析
• 5.2.1 SiC 纳米线生长前期
• 5.2.2 SiC 纳米线的成核
• 5.2.3 SiC 纳米线的生长
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢