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形貌多元化SiC纳米材料生长、结构及其性能研究

吴仁兵  
【摘要】: 在过去的十年里,低维半导体纳米材料由于具有特殊的物理和化学性质以及在纳米光、电、磁器件中的潜在应用,引起了研究者极大的兴趣。在众多的半导体材料中,宽带隙碳化硅(SiC)半导体材料还因其力学性能优异、热导率高、化学惰性强等优点尤其受到研究者的关注。SiC纳米材料,除保留其体材料的本征性质外,还由于纳米尺寸效应,晶体结构多型性,缺陷的特殊组态以及特定的形貌在力学、电学性能和光学性能等方面展现出更多特异性,成为现在和未来高温、高辐射等恶劣环境下工作的纳米器件的理想材料。因此,探索新的SiC纳米材料的制备技术及其形貌、结构和性能对于纳米材料科学以及未来的基于纳米材料的纳米器件应用都具有十分重要的意义。 由于以上思想的感召,本文主要研究了用相对简单经济的方法合成多种形貌和结构的SiC纳米材料,观察分析了产物的形貌、结构和缺陷组态,测试了包括光致发光性能和拉曼光谱在内的物理和光学性能。测试手段涉及X射线衍射、场发射扫描电镜、(高分辨)透射电镜和能谱、光致发光光谱和拉曼散射谱。在上述基础上,对合成和生长机理,SiC纳米材料的形貌和结构缺陷对SiC纳米材料性能的影响等方面也展开了较深入的研究。研究具有基础性和前瞻性,兼有理论意义和潜在应用价值。 首先通过将Si蒸汽蒸发到置于氧化铝基片上的碳纳米管的方法,将碳纳米管转化成高质量的单晶3C-SiC纳米棒。该技术具有简单、有效和环保等优点。生长出的3C-SiC纳米棒具有完美的单晶结构,其[111]生长方向与纳米棒的轴向平行。整个反应过程是Si蒸汽与碳纳米管活性高的区域反应,生成了随机取向的3C-SiC晶核,而在众多的沿111方向生长的SiC晶核中,只有其生长方向与碳管长度方向一致的晶核才可以连续生长直至生长成实心的SiC纳米棒。碳纳米管的一维几何构型在生长SiC纳米棒的过程中起到了空间限域效应,并且碳纳米管的初始形貌对SiC纳米棒的形貌有着重要的影响。 类似的实验中,除了从氧化铝基片上收集到产物外,在石墨坩埚的底部以及石墨坩埚的内壁分别生长出了双晶的SiC纳米带和SiC/SiO_2核壳异质结构。纳米带呈现出独特的双晶结构,沿着晶界两边的生长方向分别是[1(?)1]和[(?)1(?)]。整个生长过程没有催化剂液滴的参与,表明SiC纳米带的生长遵循气-固反应模式。而对于SiC/SiO_2核壳异质结构的生长,整个过程涉及到SiC纳米线的生成以及随后在冷却过程中SiO_2在SiC纳米线表面的沉积。不同的沉积方式会导致不同形貌的SiC/SiO_2核壳异质结构。相比于3C-SiC体材料,双晶SiC纳米带光致发光光谱由于纳米带厚度的量子尺寸效应而明显蓝移。对于SiC/SiO_2核壳纳米电缆独特的光致发光激发峰则可能由于SiO_2沉积SiC纳米线表面形成的诸如-O-Si-O-以及-O-Si-C-O-等配位缺陷所致。 通过热蒸发硅蒸汽到碳黑并与之反应,生长出了棱柱状SiC纳米晶须。研究表明,随着反应时间的延长,SiC纳米晶须的外形从不规则的短棒状或者蠕虫状逐渐变为规则的长而直的棒状,并且最终形成具有棱柱状形貌和结构的SiC纳米晶须。整个生长过程遵循气-固生长模式。利用类似的实验装置,在有ZnS参与的条件下,加热球磨后的SiO_2和Si混合粉末,可以合成出一维分节(hierarchical)碳化硅纳米材料。结构和形貌表征显示一维的分节SiC纳米材料实际上是由沿着长度方向的连续圆台组成的单晶结构。ZnS作为SiC晶核的触发剂对于这种特殊结构材料的生长起到了关键性的作用。基于相同的气相沉积方法,通过Si与石墨基片反应,实现了SiC纳米线形貌的可控。在6个小时的反应时间里,当加热温度从1470℃升高到1550℃再到1630℃时,SiC纳米线的形貌可以从圆柱状调整到棱柱状直到竹节状。热力学计算表明整个反应涉及到氧的参与,并且SiC纳米线的形核和生长主要是通过SiO和CO之间的反应来进行的。基于中间气相的反应、反应的逐步进行以及表面能的最小化等理论,多种形貌SiC纳米线的生长通过气.固模式完成。SiC纳米线虽然因其形貌和结构的不同表现出不同的光致发光激发峰,但相比于SiC体材料,都发生了蓝移。这可能是由于SiC纳米材料中的微孪晶、堆垛层错引起的量子限域效应所致。 论文研究了更为复杂体系中SiC纳米材料的生长,开展了微量氧存在时热蒸发Si-Fe和Si-Ni熔体至不同C基体的合成研究。对于C-Si-O-Fe体系,随着体系中Si含量的增加,SiC纳米线的产率以及纳米线的长径比都将增加。SiC纳米线的形貌可以通过调节Fe和Si的摩尔比来控制。当Fe和Si的摩尔比为1:1时,甚至还可以生长出三维的优雅向日葵状氧化硅纳米“建筑物”。整个生长过程包括Fe催化气-液-固(VLS)多点形核以及沿着中心催化剂液滴形成的氧化硅纳米阵列自组装。对于C-Si-O-Ni体系,Ni含量的变化对与SiC纳米线的形貌影响不大。而C-Si-O-Ni体系则是一种简单有效的生长高产率单晶SiC纳米线的方法。反应温度和炉腔内的真空度对SiC纳米线的形成以及形貌都有很大的影响。这种体系下SiC纳米线的生长是形核的固-液-固(SLS)和纳米线生长的气-液-固(VLS)联合生长模式。由于声子限域和结构缺陷的影响,SiC纳米线的拉曼光谱峰位蓝移并且其峰宽显示出对称的特点。 论文最后讨论了热蒸发法气固反应机制生长的“之”字状SiC纳米针生长的晶体学机制及纳米效应产生的缘由。SiC纳米针的“之”字状形貌实际上是由晶内准周期性的(111)[11(?)]孪晶和孪晶调制形成的(111)和孪晶(111)“之”字状侧表面构成。局部表面能最低化是孪晶形成和调制的驱动力。SiC孪晶纳米针发光峰相比SiC体单晶有明显的蓝移是由于层错和准周期挛晶导致的。3C-SiC纳米线中沿[111]方向包含有类4H-SiC或6H-SiC结构的厚度为1-5nm左右的纳米层的量子限域效应是引起蓝移的主要原因。基于更多的高分辨透射电镜结果,SiC纳米线的缺陷对其形貌和结构有着十分重要的作用,如层错可以导致分叉以及多型,而孪晶可以引起竹节或者“之”字状的形貌结构。研究发现纳米线的直径与孪晶的周期厚度大小呈大致的线性关系。根据wulff定理,给出了SiC纳米线生长过程中孪晶产生的晶体学机制。


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6 ;全国第二届纳米材料和技术应用会议[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集(下卷)[C];2001年
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5 刘菊花;首批纳米材料国家标准 于4月1日起正式实施[N];中国有色金属报;2005年
6 胡爱武 傅志红;纳米材料与纳米技术[N];中国包装报;2004年
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