SiC一维纳米材料的合成、性能、机理及量产化工艺研究

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由于具有高的禁带宽度、高的临界击穿电场和热导率、小的介电常数等特性,使得碳化硅(SiC)在蓝光发光二极管(LED)、复合材料增韧补强、场发射阴极制造、光催化等领域展现出巨大的应用前景。大量文献已经证实SiC一维纳米材料的性能表现与其本身的形貌及表面结构息息相关。近年来,获得不同形貌的SiC一维纳米材料已经引起了研究人员的广泛关注,人们希望能够通过对不同形貌SiC一维纳米材料的可控制备,实现对其光、电、场发射等性能的提升,同时开发出新的应用领域。本文采用简单的化学气相反应法(CVR)制备出了不同形貌的SiC一维纳米材料,对所制备纳米材料的结构、性能及生长机理等进行了系统研究,并对SiC纳米线的量产化制备及影响物理性能的退火处理工艺进行了优选。论文的主要结论包括以下几方面:(1)采用CVR方法在6H-SiC基片上合成出了竹节状3C-SiC一维纳米材料。SEM、EDS、HRTEM测试结果表明:产物为直径周期性变化的竹节状结构;沿[111]方向生长,在直径较大的竹节处存在大量的堆垛层错,直径较小的收缩位置处为无缺陷的单晶结构;提出了可能的生长机理解释其生长过程。(2)在石墨基片上合成出了长径比均匀的棒状SiC一维纳米材料,使用SEM与XRD分析了产物的产量、形貌、结晶度与合成温度之间的关系,结果表明随着反应温度的升高,棒状SiC一维纳米材料的结晶度和产量均有明显提升,其形貌也逐渐趋于一致。1250℃条件下合成的棒状SiC一维纳米材料的HRTEM测试结果表明,产物为沿[111]方向生长的立方3C-SiC结构,表面具有极薄的非晶SiO2包覆层。(3)在Fe-Ni催化条件下,长时间通入CH4气体,得到了带有非晶碳包覆层的的同轴3C-SiC一维纳米材料(3C-SiC@a-C);在Ni催化条件下,长时间通入CH4气体进行反应,得到了具有晶体碳外壳、非晶SiO2中间层、3C-SiC核心的三层同轴一维纳米材料;提出了合理的生长机理来解释这两种SiC新颖结构的形成过程;研究了该系列碳包覆型SiC同轴一维纳米材料的场发射特性,得到了0.5V·μm-1(3C-SiC@a-C)和0.8V·μm-1的超低开启电场,并对电场作用下的产物内部电子输运过程进行了讨论;测试了这两种碳包覆结构的表面疏水特性,为碳包覆型SiC一维纳米材料在自清洁和憎水领域的应用奠定了基础。(4)以球磨后的Si-SiO2混合粉料为硅源,高纯CH4为气体碳源,石墨基片为基底,在立式真空可控气氛炉内进行了SiC纳米线的合成工艺优化研究。结合前期成果,系统分析了催化剂种类与反应保温时间对大量制备SiC一维纳米材料的产量和形貌的影响规律,并获得了优选的工艺参数。(5)采用CVR方法,在自主设计制造的三室式连续生产真空可控气氛炉(ZL200510104486.4)内以新型石墨(G)作为固体碳源,Si粉作为硅源进行了SiC纳米线的量产化制备实验。系统研究了反应温度、预热温度、二次升温速率及反应时间等工艺参数对SiC纳米线的产量、形貌及物相的影响规律,获得了SiC纳米线量产化的优选工艺为。该研究为SiC纳米线的应用及其相关性能的研究奠定了坚实的物质基础。(6)系统研究了退火处理过程中的温度、气氛、时间等因素对SiC纳米线的光致发光性能的影响规律。结果表明:随着SiC纳米线退火温度的升高,样品的光致发光峰强度逐渐增大并趋于稳定;随着退火时间的增加,样品的发光强度呈现出先增大后减小的趋势;空气气氛下退火产物的发光强度明显优于其他气氛。在空气气氛下900°C退火处理2h时,得到的PL谱图具有最强的发光峰。
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