碳化硅纳米线的制备、性能与机理研究

论文摘要

近年来,半导体纳米线由于具有独特的电学、光学及力学等性能,在新型纳米光电子器件领域拥有广阔的应用前景,因而引起了研究者的极大关注。碳化硅（SiC）半导体材料是继第一代元素半导体材料（Si）和第二代化合物半导体材料（GaAs、GaP、InP等）之后发展起来的第三代半导体材料,具有间接宽禁带、大的击穿电场、高的热导率和高的电子饱和漂移速度等特点,使其在高温、高频、高功率和抗辐射等极端环境下工作的光电子器件制备方面有着巨大的应用前景。目前,SiC半导体材料的研究着重两个方面:SiC单晶的生长和SiC纳米线的合成。SiC纳米线除保留其宽带隙半导体性能外,还由于纳米尺寸效应、特定的形貌和内在的特殊结构及缺陷,在力学性能、发光性能和场发射性能等方面展现出更多特异性,因此研究SiC纳米线合成、结构和性能具有重要意义。与大量文献报道的制备方法相比,本文采用相对简便和成本低廉的热蒸发技术,在不同碳基底（原料）上,制备了β-SiC（3C-SiC）纳米线及其阵列。应用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜和能谱仪等测试手段研究了SiC纳米线的相组成、形貌和结构;应用红外光谱、拉曼光谱、光致发光光谱、场致电子发射装置和紫外.可见光光谱等仪器研究了SiC纳米线的光学、电学性能和能带结构。在上述基础上,提出了热蒸发SiC纳米线的生长机理,探索了SiC纳米线的结构与性能的关系。论文得到了一系列重要结论,取得了一些创新性成果,为SiC纳米线在纳米器件领域的实际应用打下了的基础。首先,在高温烧结炉中,以碳纤维为基底/原料,采用加热蒸发硅的方法制备了试管刷状β-SiC纳米线阵列。考察了真空度、温度和反应时间等工艺条件对纳米线形貌和阵列形式的影响,发现SiC纳米线的生长需要少量氧的参与。据此,提出了试管刷状纳米线阵列的气-固（VS）反应生长机理:高温下,碳纤维表面固态的碳与含硅蒸汽（Si或SiO）反应在表面生成SiC晶核,SiC晶核按两种方式生长:一种是继续由Si或SiO气体与碳纤维反应,使SiC晶核沿纤维生长,将碳纤维转化为试管刷的SiC轴;另一种是SiO和CO发生气-固反应,使SiC晶核沿特定晶体方向（β-SiC的[111]方向）一维放射生长,形成试管刷的SiC纳米线阵列。用同样的热蒸发技术,在抛光的石墨片基底上合成了草坪状SiC纳米线阵列。SiC纳米线的生成同样可归咎于VS生长模式:只是在高温下SiC晶核只从石墨表面单方向生长,形成草坪状β-SiC纳米线阵列。石墨表面的活性C原子吸附气氛中的SiO,反应生成二维SiC晶核（111）面的Si原子面（Si面）;该面具有暴露在晶核表面的Si-O键,进而吸附气氛中的CO,再形成晶核（111）面的C面。新的C面继续吸附SiO并反应形成第二层Si面,导致Si和C原子交替沉积,实现β-SiC纳米线沿[111]方向的生长。基于SiC纳米线的头部具有螺型位错生长机理的典型形貌和纳米线的周期性（111）孪晶结构,论文首次提出了孪晶纳米线的螺型位错生长机理。由于O的参与,在二维SiC晶核的（111）面产生应变和应力,导致该面上螺型位错的形成。硅和碳原子围绕螺型位错中心以螺旋堆垛方式沉积在（111）面上。同样由于应力的作用,Si-C双原子层在堆垛过程中很容易形成层错。层错进而演变成[111]方向的周期性孪晶以降低应变能;周期性孪晶的出现使纳米线表面上产生{111}琢面以降低表面能。最终实现应变能和表面能最低的具有周期性孪晶结构和琢表面的β-SiC纳米线。众多纳米线以近似垂直方向生长在石墨表面构成草坪状β-SiC纳米线阵列。SiC纳米线的红外和拉曼峰位都有向低波数偏移的现象,这种现象是由于堆垛层错所造成。-100℃下的拉曼光谱显示在位于835cm-1处出现一新峰,可归为4H-SiC的纵向光学声子模。本文解释为低温下层错原子通过弛豫过程重排,在3C-SiC纳米线的局部区域形成了4H-SiC片段。光致发光谱显示,SiC纳米线在470 nm附近有一个强的分裂的发光峰;在485nm附近有一处弱的肩峰。与β-SiC体单晶的发光特征峰相比,纳米线的发光峰位有明显的蓝移。SiC纳米线中堆垛层错导致的孪晶超晶格结构的量子限域效应是引起蓝移及发光峰分裂的主要原因。本文将此发光现象解释为纳米线中堆垛层错导致相互隔离的3C-SiC纳米片段的量子尺寸效应。论文分析了SiC纳米线的堆垛层错与准周期性孪晶结构的关系,提出孪晶界面附近的数层原子堆垛具有类似4H-SiC或6H-SiC多型体结构特点。由于4H/6H-SiC与3C-SiC相比具有较宽的带隙宽度,这种包含准周期性类4H/6H-SiC堆垛层错的3C-SiC一维纳米孪晶超晶格结构,在[111]方向形成准周期性分布的势阱,从而影响纳米线的光电性质。为了探究SiC纳米线的带隙特点,测试了β-SiC纳米线的紫外-可见光漫反射吸收光谱。结果表明纳米线仍为宽带隙间接半导体,禁带宽度约为2.85 eV,较其体单晶（2.23 eV）的带隙宽,与通过光致发光谱计算得到的带隙宽度（2.65 eV）较为接近,差值是斯托克斯位移所致。石墨片基底上生长的草坪状SiC纳米线的场致电子发射实验表明SiC纳米线具有良好的电子发射性能、高的亮度和低的开启电压,其场发射开启电压是2.1V/μm。利用一定温度下不同金属硅化物的硅蒸气压不同的特点来控制反应体系SiO过饱和度,生长了不同形貌的SiC纳米线。与CoSi2合金为硅源比较,以CoSi合金为硅源,在1500℃下反应3小时生长的SiC纳米线的直径小（约60 nm）、产量小。在熔化后凝固的合金表面也生长有亚微米级的SiC纳米线/晶须。其机理可用固-液-固（SLS）和气-液-固（VLS）的联合生长模式来解释。采用溶胶-凝胶工艺结合直接加热过程制备了直径约为200 nm的六棱柱状SiC纳米线。纳米线的生长为典型的碳热还原过程。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料的发展过程和特性

1.2.1 纳米材料的发展

1.2.2 纳米材料的特性

1.3 一维纳米材料的生长、特性及应用

1.3.1 一维纳米材料的生长

1.3.2 一维纳米材料的特性及应用

1.4 碳化硅晶体的制备、结构与性质

1.4.1 SiC单晶的制备及结构

1.4.2 SiC体单晶的性质

1.5 碳化硅一维纳米材料的制备、性能及应用

1.5.1 SiC一维纳米材料制备方法

1.5.2 SiC一维纳米材料的性能及应用

1.6 论文选题背景及研究内容

1.6.1 选题背景

1.6.2 主要研究内容

参考文献

第二章实验内容、设备及测试仪器

2.1 原始材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.4 测试方法

2.4.1 X射线衍射

2.4.2 扫描电子显微镜

2.4.3 拉曼光谱仪

2.4.4 光致发光光谱

2.4.5 透射电子显微镜

2.4.6 红外光谱仪

2.4.7 紫外-可见光吸收光谱

第三章以碳纤维为基底SiC纳米线的制备与表征

3.1 引言

3.2 碳纤维基底上SiC纳米线的制备

3.3 SiC纳米线的组成、形貌和微结构分析

3.3.1 X射线衍射仪分析

3.3.2 场发射扫描电镜形貌及能谱分析

3.3.3 透射电镜及电子衍射分析

3.4 影响SiC纳米线生长的因素

3.4.1 保温时间的影响

3.4.2 真空度对碳纤维上生长SiC纳米线的影响

3.4.3 温度对碳纤维上生长SiC纳米线的影响

3.5 碳纤维基底上SiC纳米线的反应生长机理

3.5.1 试管刷状SiC纳米线阵列的形成机理

3.5.2 SiC纳米线生长热力学分析

3.6 SiC纳米线的光学表征

3.6.1 红外光谱分析

3.6.2 拉曼光谱分析

3.6.3 光致发光性能分析

3.7 本章小结

参考文献

第四章以石墨片为基底SiC纳米线的制备与表征

4.1 引言

4.2 SiC纳米线的制备

4.3 SiC纳米线的组成、形貌和微结构分析

4.3.1 X射线衍射仪分析

4.3.2 场发射扫描电镜形貌及能谱分析

4.3.3 透射电镜及电子衍射分析

4.4 影响SiC纳米线生长的因素

4.4.1 保温时间对SiC纳米线生长的影响

4.4.2 真空度对石墨基板上生长SiC纳米线的影响

4.4.3 温度的影响石墨基板上生长SiC纳米线的影响

4.5 SiC孪晶纳米线的螺型位错生长机理

4.5.1 SiC纳米线的螺位错生长机理

4.5.2 SiC孪晶纳米线

4.5.3 SiC孪晶纳米线反应生长和晶体学生长机理

4.6 石墨基板上SiC纳米线的光学表征

4.6.1 红外光谱分析

4.6.2 拉曼光谱分析

4.6.3 光致发光性能分析

4.6.4 紫外-可见吸收光谱分析

4.7 石墨基板上SiC纳米线的场致电子发射性质

4.7.1 场致电子发射实验及测试方法

4.7.2 石墨板上SiC纳米线阵列的场发射性能

4.8 SiC纳米线的堆垛层错与孪晶

4.8.1 SiC的堆垛层错

4.8.2 堆垛层错与孪晶关系

4.9 本章小结

参考文献

第五章金属硅化物热蒸发法及溶胶凝胶碳热还原法制备SiC纳米线

5.1 引言

5.2 热蒸发金属硅化物法制备SiC纳米线及其机理研究

5.2.1 实验过程

5.2.2 实验结果与讨论

5.2.3 小结

5.3 溶胶-凝胶碳热还原法制备SiC纳米线及其机理研究

5.3.1 实验过程

5.3.2 实验结果与讨论

5.3.3 小结

参考文献

第六章结论

攻读博士期间发表（提交）论文情况

致谢

碳化硅纳米线的制备、性能与机理研究

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢