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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2010年
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SiC/SiO_2低维核壳结构材料的制备及特性研究

曹连振  
【摘要】: SiC作为第三代核心半导体材料之一,具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点,在紫外探测器和短波发光二极管及高频、大功率、高温、抗辐照的电子器件等领域具有广阔的应用前景。SiC零维和一维纳米材料,由于处在纳米尺度,除具有体材料所具有的优异性质外,还具有其大尺寸材料所不具有的性质,在光催化、光电子器件和场发射显示等方面已显示了巨大的应用价值,因此研究SiC零维和一维纳米材料具有重要的意义。目前,SiC零维和一维纳米材料的研究主要集中在两个方面:用不同的方法制备SiC零维和一维纳米材料;对制备的SiC纳米材料进行光学和发射特性表征研究。所采用的制备SiC纳米材料方法都有各自的优点,但是这些方法也存在一些缺点:产物较少,易引入杂质,制备温度高,成本较高等。特别是由这些方法制备的SiC纳米材料大都存在大量的表面态,导致发光效率降低,并且SiC一维纳米材料在场发射显示的应用中需要较高的开启电场,限制了SiC纳米材料的实际应用。在SiC表面包覆一层SiO2保护层,实现纳米SiC/SiO2核壳结构,可以减少SiC材料本身的表面态,提高发光效率,而且薄的SiO2层,还可以改善SiC一维纳米材料的场发射特性。因此采用一些简单易行的方法来制备SiC/SiO2核壳结构纳米材料,并研究其光学及场发射特性,具有重要的物理意义和应用价值。 本论文的研究内容主要包括以下几部分: 1).首先设计了一个采用两步生长的办法来合成SiC/SiO2核壳结构纳米颗粒的方案,并采用热化学气相沉积(T-CVD)和热退火技术,首次合成了零维6H-SiC/SiO2核壳结构纳米颗粒。用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、能谱(EDX)、X射线衍射(XRD)等手段对制备的纳米颗粒进行了表征。研究了影响纳米颗粒合成的因素。 2).利用固相SiO2与催化剂混合,在CH4气氛下,成功合成了“线状”、“珊瑚状”和“芦荟状”三种不同形貌的SiC/SiO2核壳结构一维纳米材料。分析认为纳米材料的生长方式为典型的“气-液-固(VLS)”生长机制且为顶部生长模式。生长过程中所引入的Fe催化剂对纳米材料的形成起着重要作用,同时催化剂的形貌不同是形成不同形状纳米材料的主要原因。 3).用光致发光谱(PL)分别研究了零维和一维SiC纳米核壳结构材料的光致发光性质。研究表明,对于SiC纳米颗粒,未退火前的发光主要是SiC表面的缺陷发光;退火后表面缺陷发光消失,SiC的本征发光强度明显提高。表明有SiO2包覆的SiC纳米材料的发光效率得到改善。以“线状”的β-SiC/SiO2一维核壳结构纳米材料为例,研究了其室温和变温光致发光谱。研究发现“线状”纳米材料的室温宽带峰可以分解为主峰分别为2.3eV和2.1eV的两个发光峰组成。2.3eV的发光是SiC的带边发光,2.1eV的发光来源于表面缺陷态。 4).研究了“线状”、“珊瑚状”和“芦荟状”的β-SiC/SiO2一维核壳结构纳米材料的场发射特性。结果表明,三者都具有较低的开启电场和较高的发射电流密度,是良好的场发射阴极材料。β-SiC/SiO2一维核壳结构纳米材料具有良好的场发射特性的原因主要有三部分:一是,核壳结构纳米材料都具有大量有效的发射点;二是,核壳结构纳米材料都具有很大的长径比,使得在材料的顶端容易形成强的局部电场,使电子易于克服表面势垒发射到真空中;三是,包覆的具有小的电子亲和势的10nm左右的非晶SiO2薄层,可以改善核壳结构SiC纳米材料的场发射特性。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TB383.1

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