熔盐辅助制备链珠状SiC/SiO2异质结构及其光致发光性能研究

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作为第三代半导体,SiC材料具有宽禁带、高临界击穿电压、较大的载流子饱和漂移速率等特性,还具有机械强度高、热震稳定性好、抗氧化性好、耐腐蚀等优点,因此常被用作大功率集成电路的电子元件及功能器件。一维结构SiC材料的电学、光学和力学等性能又有较大提升,然而其形貌、性能以及产率等受限于合成方法与工艺。为此,本论文综合了熔盐法和化学气相沉积法的优点,在埋碳条件下(不通保护气体)低成本合成了一维链珠状SiC/SiO2异质结构,研究了原料种类、熔盐种类及加入量、合成温度及保温时间等对产物形貌和异质结构的影响,测试了SiC/SiO2异质结构的光致发光性能,并探讨了其生长机制。本论文主要结论如下:以Si、SiO2和石墨为原料,采用熔盐辅助气相沉积法制备了一维链珠状SiC/SiO2异质结构。当NaCl与NaF质量比大于2:1时即可合成目标产物,比值为3:1时合成效率最高,继续增加其比例合成效率逐渐降低。以硅与熔盐质量比为1:1时,合成效率最高,随熔盐加入量的减少,合成效率与产物的结晶程度逐渐降低。采用熔盐辅助气相沉积方法在1200°C下即高效合成了具有链珠形貌的纤维。SiC纤维长度达数百微米,线结构直径约为300500 nm,珠状结构的直径约为13μm。随合成温度的升高(12001400°C)和保温时间的延长(23 h),异质结构中珠状结构的直径和非晶态SiO2壳层的厚度逐渐减小。一维链珠状SiC/SiO2异质结构是由晶态β-SiC微米线和非晶态SiO2微米球共同组成。β-SiC晶体沿[111]晶向择优生长,在核芯β-SiC的外部包裹了一层非晶态的SiO2壳层,具有典型的壳核结构。产物发光波长为350600 nm,最强峰集中在400415 nm处,展现出较好的蓝紫光发光性能。随熔盐加入量的减少以及合成温度的升高,发光频率呈下降趋势;发光强度随珠状结构直径与壳层Si O2厚度的减小而增强。一维链珠状SiC/SiO2异质结构的生长过程分为形核生长与形貌调节两个阶段。首先,β-SiC依据“气-固”生长机制非均匀形核生长并产生SiO2包覆层,在第二阶段中,液态SiO2产生Marangoni对流,形成液滴结构,然后在表面张力和Rayleigh不稳定性的作用下进行结构微调,最终形成一维链珠状SiC/SiO2异质结构。
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