高能微波辐照法制备SiC纳米线及其光致发光性质研究

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碳化硅(SiC)陶瓷材料因具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀以及耐摩擦等一系列优异的性能,被广泛应用于航天航空、机械电子、石油化工等众多领域中。当其尺寸进入纳米尺度后,SiC纳米陶瓷除了具备SiC体材料的优异性能外,还具备了特异的光、电、磁等特性,使其在微电子、纳米器件等光电材料领域有了广阔的应用前景。目前,多种方法都可以制得SiC纳米陶瓷材料,但多存在合成效率低、工艺复杂、产物纯度差和产率低等问题。而高能微波辐照法因其加热速度快、选择性高、加热均匀、热惯性小以及节能环保等优点,是一种制备SiC纳米陶瓷材料很有前途的方法。  本文利用高能微波辐照技术,在无模板、无基底、无催化剂的条件下,对SiC纳米材料的均匀、可控合成进行了探索。结合多种分析测试技术,本文对得到的SiC产物的微观结构以及光致发光特性进行测试与表征,并对其光致发光机制进行相应解析和评价。同时,利用电子背散射衍射技术,本文也对高能微波辐照条件下制得的SiC产物的生长机制进行了初步探究。除此之外,对于高能微波技术在功能材料制备领域的应用,本文进行了初步的探索。主要的研究内容及结果如下:  (1) SiC的微波合成制备:  利用高能微波辐照技术,仅以Si粉、SiO2粉和人造石墨等为原料,在无模板、无基底、无催化剂的条件下,可以快速大量的得到β-SiC纳米线。并且根据坩埚中的部位不同,所得SiC呈现出不同的形态。坩埚上层为亮绿色粉末,较为纯净,主要为直径约150nm的纳米棒,并含有部分微米级SiC晶粒,表面氧化迹象不明显。其余部分产物呈灰绿色,主要是直径约20-50nm的SiC纳米线,表面包覆2-10 nm非晶态SiO2层。反应过程简单易操作、可控性强,并且产物纯净,无需再进行复杂的纯化过程。通过改变合成工艺参数,可发现原料中碳源、硅源种类,加热温度,保温时间等都是影响SiC产物的形态结构及生长机制的重要因素。  (2)微波辐照条件下的SiC的生长机制:  利用多种表征手段,在对β-SiC纳米线、微米晶等进行微观结构表征、解析的基础上,对微波辐照条件下的SiC的生长机制进行了探讨。结果表明,合成的纳米线沿<111>方向生长,与得到的SiC微米级晶粒类似。基于大量的实验证据,确认了微波辐照条件下SiC的生长符合“基于光滑界面的二维形核-层状生长机制”。此外,利用EBSD技术对β-SiC的晶面演变进行了原位的鉴别和分析,发现SiC的{211}面在生长过程中逐渐被超覆,并通过{421}过渡晶面而逐渐演变为{220}晶面。EBSD的原位表征为上述生长机制提供了直接的实验证据。  (3)光致发光功能特性的研究:  对SiC纳米线进行光致发光(PL)性能的研究发现,在室温下用240 nm的氙光光源可以激发出390 nm(3.18 eV)左右的近紫外发射,与体材料及多数文献报道的SiC纳米产物在410-470nm范围的蓝光发射峰相比,本课题所得到SiC纳米产物的谱峰发生了更明显的蓝移。初步分析谱峰蓝移的原因可能是高能微波作用下,产物中形成了大量的氧空位、堆垛层错等结构缺陷所致。而在近紫外区域的发光,为根据应用领域的要求而进行SiC纳米线的结构、性能调控提供了更广阔的空间,有利于拓展一维纳米结构SiC的应用领域。  (4)相关研究内容的初步探索:  本文利用高能微波辐照技术,对于其它形态SiC一维纳米材料和C/SiC复合纤维的制备也进行了初步的探索。研究发现,高能微波辐照条件下,多种形态的SiC纳米线、具有不同核/壳厚度比的SiC/SiO2同轴纳米线、含有丰富结构缺陷的SiC纳米线,以及结晶性良好的SiC微晶均可成功制得。同时,高能微波辐照技术也可以用来进行碳纤维的表面包覆改性,即制备C/SiC同轴复合纤维,并表现出工艺简单、快速便捷、成本低廉等明显优势。
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