本文關(guān)鍵詞： 碳化硅納米線 金屬催化法 超疏水性 取向生長 復(fù)合結(jié)構(gòu) 光電性能　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：碳化硅(SiC)因其特有的寬帶隙、高溫導電性、很高的擊穿電壓及楊氏模量等物理性能及極佳的抗氧化及腐蝕性和高溫穩(wěn)定性等特點受到了廣泛研究。而碳化硅納米線由于特有的一維尺寸,使其在碳化硅的優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上,還獲得了獨特的電學、場發(fā)射、疏水性及機械性能等方面的性能。盡管研究人員已經(jīng)在碳化硅納米線的制備表征等方面進行了廣泛的探討并取得了一定的進展。但是由于其制備上困難還限制著碳化硅納米線的廣泛應(yīng)用,目前還存在著制備溫度高、光電及疏水性能認識不清楚,生長機制較缺乏等問題。針對上述問題,本文采用磁控濺射方法制備了非晶碳(a-C)和金屬鎳(Ni)作為制備碳化硅納米線的前驅(qū)體,在相對較低的溫度(900 oC)下獲得了數(shù)量可觀的高質(zhì)量碳化硅納米線:(1)研究了前驅(qū)體堆疊方式、制備溫度、保溫時間及冷卻速度等因素與碳化硅納米線的結(jié)構(gòu)、成分和性能之間的關(guān)系;(2)利用摻雜Al元素制備了具有超疏水性的碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu);(3)利用Ni-In合金作為催化金屬制備了具有一定取向的碳化硅納米線。利用非晶碳和金屬鎳制備的SiC納米線呈立方結(jié)構(gòu),沿[111]方向生長并且有大量的層錯產(chǎn)生。在納米線頂端連接著催化金屬顆粒,并且在納米線及金屬顆粒周圍包裹著一層的非晶相。SiC納米線的質(zhì)量及產(chǎn)量與其生長條件密切相關(guān):(1)不同的前驅(qū)體堆垛形式對碳化硅納米線表面形貌有著重要影響;(2)升高制備溫度不僅能增加碳化硅納米線的產(chǎn)量,還能改善碳化硅納米線的質(zhì)量;(3)碳化硅納米線的形成與前驅(qū)體中Ni和a-C的含量有著重要關(guān)系,當前驅(qū)體中Ni和a-C的含量適當時,才能形成產(chǎn)量可觀的碳化硅納米線;(4)冷卻速度的升高不但可以提高碳化硅納米線的純度,還可以降低納米線的直徑,獲得產(chǎn)量較高的極細碳化硅納米線。討論了納米線缺陷對其光致發(fā)光性能的影響:納米線中大量層錯的產(chǎn)生,破壞了3C-SiC納米線的原有的ABCBC……ABCBC堆垛次序,導致了一些尺寸微小的4H-SiC及6H-SiC片段產(chǎn)生。這種特有在3C-SiC納米線基體上分布著大量4H-SiC及6H-SiC片段的結(jié)構(gòu)導致了該納米線具有多個發(fā)光峰位的出現(xiàn):在紫外波段擁有一個位于357 nm的發(fā)光峰,除此以外,還在420 nm及535 nm處出現(xiàn)了另外兩個發(fā)光峰。利用摻雜原理,在納米線制備過程中摻入少量Al元素,實現(xiàn)了碳化硅納米線及碳納米管共生長,獲得了碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合薄膜。Al的含量和最終產(chǎn)物的形式密切相關(guān):只有當Al的添加量為0.02g時,才能獲得碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合薄膜。納米線及碳納米管共生長的形成關(guān)鍵是Al元素的加入。該碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)在未經(jīng)任何表面處理下潤濕角高達157o,具有優(yōu)良的超疏水性。通過nano/micropillar復(fù)合結(jié)構(gòu)模型對碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的潤濕性進行了探討:由于碳化硅納米線與硅基底形成一定角度的空隙,使得該薄膜的疏水性較純碳納米線大幅提高。此外,該復(fù)合結(jié)構(gòu)還具有較好的自清潔性和化學穩(wěn)定性。通過在制備過程中添加In元素,可以獲得具有一定取向的碳化硅納米線陣列。結(jié)果表明碳化硅納米線在Ni-In合金的催化作用下,在硅(100)基底上形成了低密度的沿著某些特定方向生長的碳化硅納米線。研究了定向生長和光致發(fā)光性能的內(nèi)在聯(lián)系。結(jié)果表明:相對于無明顯取向的碳化硅納米線,定向生長的碳化硅納米線的光致發(fā)光性能得到了明顯提高,具有峰強更高,發(fā)光峰位更明顯的特點。利用場效應(yīng)晶體管研究了SiC納米線的電學性能,結(jié)果表明:SiC納米線為n型半導體且當Vds為0.5 V時,該器件的載流子遷移率為12.9 cm2/V·s。采用a-C和Ni作為前驅(qū)體制備的SiC納米線具有制備溫度低,產(chǎn)量大等特點。利用摻雜原理可以獲得具有超疏水性的碳化硅納米線/碳納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)及具有一定取向的碳化硅納米線,因此金屬催化法適合用作生產(chǎn)產(chǎn)量可觀、性能可控、高質(zhì)量的碳化硅納米線。
[Abstract]:Silicon carbide (SiC) because of its wide band gap, high breakdown voltage and electrical conductivity, Young's modulus and excellent physical properties such as high oxidation resistance and corrosion resistance and high temperature stability and other characteristics have been widely studied. The SiC nanowires as one-dimensional size specific, which based on the excellent properties of silicon carbide. Also won the unique electrical, field emission, hydrophobic properties and mechanical properties. Although researchers have in the preparation and characterization of silicon carbide nanowires were widely discussed and made some progress. But because of its wide application on the preparation difficulty also restrict SiC nanowires, at present there are prepared by high temperature, photoelectric and hydrophobic properties of unclear problems, lack of growth mechanism. In order to solve the above problems, this paper amorphous carbon prepared by magnetron sputtering method (a-C) and nickel (N I) as the precursor for preparation of SiC nanowires, at relatively low temperatures (900 oC) to obtain high quality silicon carbide nanowires: a considerable number (1) of stacked precursor, preparation temperature, holding time and cooling rate structure factors and the relationship between SiC nanowires. The composition and performance; (2) with silicon carbide nanowires / super hydrophobic carbon nanotube composite structure were prepared by doping Al system; (3) using Ni-In alloy as the catalytic metal preparation of SiC nanowires with certain orientation. The use of amorphous carbon and metal nickel prepared SiC nanowires are cubic the structure, growth along the [111] direction and there are a lot of fault. On top of the nanowire connected with the catalytic metal particles, and around nanowires and metal particles wrapped in a layer of amorphous phase.SiC nanowires yield and quality and growth conditions are closely related : (1) the precursor of stacking different forms have important influence on the surface morphology of SiC nanowires; (2) increasing preparation temperature can not only increase the yield of SiC nanowires, can improve the quality of silicon carbide nanowires; (3) the contents of Ni and a-C formation and the precursor of silicon carbide nanowires in a an important relationship between Ni and a-C, the content of the current drive in the appropriate time, in order to form silicon carbide nanowires yield considerable; (4) the increase of the cooling rate can not only improve the purity of silicon carbide nanowires, but also can reduce the diameter of the nanowires, fine SiC nanowires obtained higher yield. The influences of light line defect influence on the photoluminescence properties of the nanowires in large number of faults have destroyed the original ABCBC.ABCBC 3C-SiC nanowires stacking sequence leads to some small size, 4H-SiC and 6H-SiC. This kind of special fragment in 3C-SiC nanowires The matrix structure of the distribution of a large number of 4H-SiC and 6H-SiC fragment resulted in the nanowires with multiple emission peaks located at 357 nm: with a peak in the ultraviolet range, in addition, in 420 nm and 535 nm at two other peaks. By doping a small amount of Al principle. Doped nanowires in the preparation process, the silicon carbide nanowires and carbon nanotubes were grown, obtained SiC nanowires / carbon nanotube composite film is closely related to the content of.Al and the final product form: only when the Al content is 0.02g, in order to obtain SiC nanowires / carbon nanotube composite film. The formation of nanowires and carbon nanotubes were grown is the key elements of Al. The SiC nanowires / carbon nanotube composite structure without any surface treatment under the wetting angle of up to 157o, with excellent super hydrophobic. By nano /micro Pillar composite structure model of SiC nanowires / nanotubes wettability of composite structure are discussed: the gap of silicon carbide nanowires and the silicon substrate to form a certain angle due to the hydrophobicity of the film, which is pure carbon nanowires significantly improved. In addition, the composite structure has good self-cleaning property and chemical stability through. The addition of In element in the preparation process, it has certain orientation silicon carbide nanowires arrays were obtained. The results show that the catalytic effect of SiC nanowires in Ni-In alloy, the silicon (100) substrate to form a low density along with SiC nanowire growth. Some specific directions of directional growth and light induced intrinsic contact the electroluminescent properties. The results showed that compared with silicon carbide nanowires without obvious orientation and directional growth of SiC nanowires photoluminescence properties were improved, with Feng Qiang Higher emission peak more obvious characteristics. The results showed that the electrical properties of SiC nanowires was studied, using field effect transistor: SiC nanowires are n type semiconductor and when Vds is 0.5 V, carrier mobility of the devices is SiC cm2/V S. 12.9 nanowires using a-C and Ni as the precursor preparation with low preparation temperature, large output characteristics. With SiC nanowires / super hydrophobic carbon nanotube composite structure and has a certain orientation of silicon carbide nanowires can be doped by metal catalysis principle, therefore suitable for the production of significant production, controllable performance, SiC nanowires with high quality.

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB383.1;TQ163.4

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本文編號：1462981