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碳热还原制备碳化硅纳米线及其性能研究

作　者: 罗晓刚
导　师: 马文会
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: SiC纳米线碳热还原光致发光场发射光催化降解
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

第三代宽带隙半导体SiC材料以其大的禁带宽度,高的熔点和硬度、高的热导率、高的临界击穿电场、高的电子饱和迁移率、抗辐射能力强以及机械性能好等特性,是制作大功率、高频、低能耗、耐高温和抗辐照器件的理想材料而受到人们的广泛关注。最近研究表明,与块体SiC材料相比SiC纳米线具有优异的光、电和机械等性能,在金属基、陶瓷基和聚合物基增强复合材料,制备发光二极管、大功率晶体管等电子和光电子纳米器件,场发射阴极材料,光催化,储氢和自清洁薄膜等许多领域都有着广泛的应用前景。因此研究SiC纳米线的制备及性能具有重要的意义。本文采用碳热还原Si02在常压无金属催化剂的条件下制备SiC纳米线,结合X射线粉末衍射(XRD)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)等分析测试方法,分析了SiC纳米线的成分、形貌和微观结构。研究了影响碳热还原制备SiC纳米线的工艺参数,反应过程热力学并提出了SiC纳米线的生长机理。最后对制备的SiC纳米线的发光性能、场发射性能和光催化性能进行了研究。论文主要包括以下几个方面：1.在常压下,以竹炭为碳源,C和Si02的摩尔比为3,在反应电流536A(1400℃)下反应20分钟,制备了p-SiC纳米线,纳米线具有核-壳结构,内层为单晶p-SiC,外层为无定形Si02。纳米线分布紊乱,表面粗糙,直径在50～200 nm之间,长度可达几百微米,沿着<111>方向生长。2.研究了碳源、配碳量、反应电流和反应时间等实验参数对碳热还原制备SiC纳米线形貌的影响,并提出了生长机理。研究结果表明,不同实验参数下所制备产物的晶体结构都为p-SiC,但形貌差别很大。在不同的配碳量下分别制备了片状、竹节状、宝塔状和珠状的SiC纳米结构；反应电流(温度)对SiC纳米线的形貌具有决定性的影响,在较低的反应电流(温度)下,过饱和度太小不能形成稳定的晶核,SiC纳米线的产率低；电流(温度)太高时,过饱和度太大有利于生成SiC纳米颗粒而不利于SiC纳米线的生成；反应时间对SiC纳米线的产率和直径影响不大,随着反应时间的延长,纳米线的长度不断增加,表面逐渐光滑。由于在反应过程中没有引入金属催化剂,而且FE-SEM和TEM分析表明纳米线尖端没有金属催化剂小滴,我们制备的纳米线是以气-固生长机制生长。3.研究了SiC纳米线的室温光致发光性能、场发射性能和光催化性能。在275 mn波长的光激发下,SiC纳米线在300 nm处有强的紫外光发射峰；SiC纳米线的场发射性能可通过退火热处理来增强,在700℃退火3h之前和之后的开启场强分别为9.5V/μm和7.5 V/gm,其场发射机理为量子隧道机理；在紫外光照射6h后,SiC纳米线降解亚甲基蓝溶液效率高达72.2%。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 SiC材料基本特性  10-11
  1.2 SiC纳米线的制备方法  11-17
    1.2.1 电弧放电法  11-12
    1.2.2 激光烧蚀法  12
    1.2.3 模板法  12-14
    1.2.4 热蒸发法  14
    1.2.5 溶剂热法  14-15
    1.2.6 化学气相沉积(CVD)法  15-16
    1.2.7 碳热还原法  16-17
  1.3 SiC纳米线的生长机理  17-19
    1.3.1 气液固生长机制(Vapor-Liquid-Solid Growth)  17
    1.3.2 气固生长机制(Vapor-Solid Growth)  17-18
    1.3.3 氧化物辅助生长机制(Oxide Assisted Growth)  18
    1.3.4 溶液液相固相生长机制(Solution-Liquid-Solid Growth)  18-19
  1.4 SiC纳米线的性能  19-24
    1.4.1 机械性能  19
    1.4.2 光学性能  19-20
    1.4.3 电学性能  20-21
    1.4.4 场发射性能  21-23
    1.4.5 光催化性能  23
    1.4.6 储氢性能  23-24
  1.5 论文选题背景及研究内容  24-25
  1.6 本文创新点  25-26
第二章实验原料、设备和测试表征  26-30
  2.1 实验原料  26
  2.2 实验设备  26
  2.3 测试表征  26-30
    2.3.1 X射线衍射(XRD)  26-27
    2.3.2 附有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM)  27-28
    2.3.3 透射电子显微镜(TEM)  28
    2.3.4 傅立叶红外光谱(FT-IR)  28-30
第三章 SiC纳米线的制备与生长机理研究  30-55
  3.1 实验方法  30-31
  3.2 制备工艺和流程  31-32
  3.3 SiC纳米线的结构、成分与形貌  32-37
    3.3.1 成分分析  32-34
    3.3.2 形貌和结构分析  34-37
  3.4 影响SiC纳米线结构和形貌的因素  37-48
    3.4.1 碳源  37-39
    3.4.2 配碳量  39-42
    3.4.3 反应电流  42-44
    3.4.4 反应时间  44-48
  3.5 SiC纳米线的生长热力学与生长机理  48-54
    3.5.1 SiC纳米线的生长热力学  48-53
    3.5.2 SiC纳米线的生长机理  53-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章 SiC纳米线的性能研究  55-60
  4.1 SiC纳米线的发光性能  55-56
  4.2 SiC纳米线的场发射性能  56-58
  4.3 SiC纳米线的光催化性能  58-59
  4.4 本章小结  59-60
第五章结论与展望  60-62
  5.1 结论  60-61
  5.2 展望  61-62
参考文献  62-73
致谢  73-74
附录  74

碳热还原制备碳化硅纳米线及其性能研究

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