本文關鍵詞：石英高溫還原氮化制備氮化硅納米帶及其性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：氮化硅材料具有優(yōu)異的理化性能,已被廣泛應用于金屬冶煉、航空航天、切削加工等領域。同時作為一種半導體材料,較寬的禁帶寬度使其成為進行摻雜調控能帶結構的良好基質材料。一維納米材料因其獨特的形貌、優(yōu)異的性能和在微納光電器件領域的應用受到越來越多的關注。因此,具有一維納米形貌并實現(xiàn)發(fā)光性能調控的氮化硅材料是一種可以應用于高溫、輻射、強震動等惡劣條件下微納光電器件的潛在理想材料。本文以此為背景,將超細石英粉和石墨進行高溫碳熱還原氮化反應,在石墨紙表面制備得到氮化硅納米帶材料。當溫度為1550℃,保溫3 h,氮氣流速為1 L/min,石墨紙表面有硝酸鐵時,石墨紙表面得到大量結晶良好的α氮化硅納米帶,長度為4-5 mm,厚度約為60 nm,生長方向為[101],分析其生長機理為底部VLS和頂部VS機理。利用原子力顯微鏡得到氮化硅納米帶的微區(qū)楊氏模量分布圖,其楊氏模量平均值約為103 GPa。對氮化硅納米帶常溫條件下光致發(fā)光性能進行測試,當利用365 nm的紫外光激發(fā)時,氮化硅納米帶在413 nm,437 nm和462 nm處有明顯的發(fā)光峰,其發(fā)光機理為氮化硅中的缺陷能級發(fā)光。以超細石英粉、硅粉和鋁粉為原料,氮氣氣氛中進行高溫硅熱還原氮化反應,在石墨紙表面制備得到Al摻雜氮化硅帶納米材料。反應溫度和氣體的濃度與納米帶產(chǎn)量和寬度有直接關系。當溫度為1500℃,保溫3 h,氮氣流速為1 L/min,不使用催化劑時,石墨紙上產(chǎn)物為結晶良好的Al摻雜β氮化硅納米帶,最長約為6.9 mm,寬度約為2 um,厚度約為70 nm,生長方向為[100],生長機理為VS機理。原子力顯微鏡下測試得到Al摻雜氮化硅納米帶的微區(qū)楊氏模量分布圖,其楊氏模量平均值約為72 GPa。該納米帶對波長為300-400 nm光有明顯吸收,摻雜元素在導帶和價帶之間引入2.12 eV和3.10 eV兩個中間能級。當受到365 nm的紫外光激發(fā)時在418 nm、439 nm和468 nm處的發(fā)光峰與摻雜前對應且發(fā)生輕微紅移,其發(fā)光機理為氮化硅缺陷能級發(fā)光;400 nm和580 nm處發(fā)射峰為Al元素摻雜引入的中間能級導致。本論文研究為石英的高質化利用提供一條重要技術路徑,高溫碳熱和硅熱還原反應氮化的研究為氮化硅納米帶低成本制備奠定理論基礎,此外,Al摻雜氮化硅納米帶在紫光和黃光波長范圍光致發(fā)光性能的調控,期望能夠進一步拓展其在固體發(fā)光領域的應用范圍。
【關鍵詞】：石英 氮化硅納米帶 摻雜 力學性能 光學性能
【學位授予單位】：中國地質大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ174.1;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 氮化硅的研究進展11-14
• 1.2.1 氮化硅的晶體結構11-12
• 1.2.2 氮化硅粉體的制備方法12-13
• 1.2.3 氮化硅材料的性質及應用13-14
• 1.3 一維納米材料的研究進展14-18
• 1.3.1 一維納米材料合成機理15-16
• 1.3.2 一維納米材料的研究體系16-17
• 1.3.3 一維納米材料的研究熱點17-18
• 1.4 氮化硅一維納米材料的研究進展18-23
• 1.4.1 氮化硅一維納米材料的合成18-20
• 1.4.2 氮化硅一維納米材料的摻雜20-21
• 1.4.3 氮化硅一維納米材料的性能21-23
• 1.5 本文主要研究內容及意義23-24
• 第二章 氮化硅納米帶材料的制備與表征24-38
• 2.1 引言24
• 2.2 氮化硅納米帶材料的制備24-25
• 2.3 反應條件對合成產(chǎn)物的影響25-29
• 2.3.1 反應溫度對產(chǎn)物形貌的影響25-26
• 2.3.2 氮氣流速對產(chǎn)物物相的影響26-28
• 2.3.3 硝酸鐵催化劑對產(chǎn)物產(chǎn)量的影響28-29
• 2.4 氮化硅納米帶的分析表征29-34
• 2.4.1 氮化硅納米帶物相組成分析30
• 2.4.2 氮化硅納米帶顯微形貌特征30-31
• 2.4.3 氮化硅納米帶晶體結構分析31-34
• 2.5 氮化硅納米帶生長機理分析34-37
• 2.6 小結37-38
• 第三章 氮化硅納米帶材料的性能研究38-48
• 3.1 引言38
• 3.2 氮化硅納米帶材料的力學性能研究38-44
• 3.2.1 一維納米材料力學性能測試方法38-40
• 3.2.2 原子力顯微鏡下氮化硅納米帶的楊氏模量研究40-44
• 3.3 氮化硅納米帶材料的光學性能研究44-47
• 3.3.1 紫外可見光吸收性能研究44-45
• 3.3.2 光致發(fā)光性能研究45-47
• 3.4 小結47-48
• 第四章 鋁摻雜氮化硅納米帶材料的制備及表征48-63
• 4.1 引言48
• 4.2 鋁摻雜氮化硅納米帶材料的制備48-50
• 4.3 生長點位置對鋁摻雜氮化硅納米帶形貌的影響50-53
• 4.4 反應溫度對鋁摻雜氮化硅納米帶形貌的影響53
• 4.5 鋁摻雜氮化硅納米帶的分析表征53-59
• 4.5.1 鋁摻雜氮化硅納米帶物相組成分析53-55
• 4.5.2 鋁摻雜氮化硅納米帶顯微形貌特征55-56
• 4.5.3 鋁摻雜氮化硅納米帶晶體結構分析56-58
• 4.5.4 鋁摻雜氮化硅納米帶元素價態(tài)分析58-59
• 4.6 鋁摻雜氮化硅納米帶生長過程及機理分析59-62
• 4.7 小結62-63
• 第五章 鋁摻雜氮化硅納米帶材料的性能研究63-69
• 5.1 引言63
• 5.2 鋁摻雜氮化硅納米帶材料的力學性能研究63-66
• 5.3 鋁摻雜氮化硅納米帶材料的光學性能研究66-68
• 5.3.1 紫外可見光吸收性能研究66-67
• 5.3.2 光致發(fā)光性能研究67-68
• 5.4 小結68-69
• 第六章 結論69-70
• 致謝70-71
• 參考文獻71-75
• 附錄75-76

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