碳化硅一维纳米结构的制备与性能研究

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一维碳化硅(1D-SiC)纳米材料,作为第三代宽禁带半导体材料,以其宽带隙、高热导率、高击穿电场、高电子迁移速率、高硬度、强的抗氧化及化学稳定性等特性在电子、纳米光电器件、纳米复合材料、超疏水器件等领域有着广泛的应用前景。实现1D-SiC纳米结构的可控、大量制备,并对其生长机理、物理、化学性质进行研究具有重要意义。本文采用干凝胶-碳热还原法,在Ar气氛下高温反应得到1D-SiC纳米材料,并通过改进凝胶工艺、选用不同碳源(炭黑、竹炭),实现了3C-SiC塔形纳米线、6H-SiC超长纳米线的可控制备;采用粉末X射线衍射、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、选区电子衍射等表征手段研究了产物的物相、微观形貌、微结构等性质;采用傅里叶变换红外光谱仪、激光拉曼光谱仪、紫外可见-漫反射光谱仪研究了产物的振动光谱及光学带隙;探讨了SiC纳米线的生长机理,并研究了其高温抗氧化、光催化等性质。论文主要研究结论如下:以炭黑-二氧化硅干凝胶为原料,通过碳热还原反应得到塔形一维SiC纳米线。产物主要为立方结构的SiC,沿[111]晶向择优生长,产物内部存在非均匀分布的堆垛层错及微孪晶;在不同反应温度、C/Si摩尔比(0.5-3)条件下得到具有不同形貌、尺寸的3C-SiC纳米线,并得到制备塔形纳米线的最佳工艺条件为1550℃、C/Si=1、5h。塔形纳米线的生长过程遵循气-固-外延(VSE)模式,即气-固反应得到中轴纳米线,再通过外延生长形成塔状结构。采用竹炭为原料,通过快速凝胶化得到竹炭-二氧化硅二元干凝胶,在Ar气氛下,碳热还原分别得到3C-SiC、6H-SiC纳米线。由于竹炭自身高的孔隙度,确保了反应过程中持续、充足的气体供给,实现了SiC纳米线的高效制备。研究表明,反应温度、C/Si摩尔比对产物的形貌、尺寸有一定的影响,6H-SiC纳米线制备的最佳工艺条件为1450℃、C/Si=1、5h。不同结构与形态的SiC纳米线的形成主要受气体过饱和度的影响,高过饱和度情况下主要得到3C-SiC纳米线,低过饱和度情况下则为6H-SiC纳米线,并提出了气-固生长条件下,由螺位错驱动导致的纳米线生长模式。此外,实验中还发现部分特殊形貌的产物,如,“突变结”纳米线、纳米带、Y型纳米线等。论文还研究了SiC纳米线的红外和紫外光谱、光催化和高温抗氧化等性质。傅里叶变换红外光谱表明制备的SiC纳米线表面存在一定的残余碳颗粒;3C-SiC纳米线的紫外可见-漫反射光谱表明,产物为具有间接带隙特点的纳米半导体,其光学带隙为2.86eV;3C-SiC纳米线在可见光下,具有较强的光降解亚甲基蓝能力,最大脱色率达90%以上;高温热稳定性测试表明3C-SiC纳米线具有较强的抗氧化性,而6H-SiC纳米线的抗氧化性较差。
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