一种N掺杂SiC纳米针及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种N掺杂SiC纳米针及其应用。该N掺杂SiC纳米针种N原子掺杂量为2-10at％，纳米针长为1-100μm，针尖端的直径为50-500nm。该N掺杂SiC纳米针作为柔性场发射阴极材料。本发明专利技术的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极材料在不同温度下均具有较低的开启电场，在高温下也具有稳定的电子发射特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种SiC场发射阴极材料及其应用，尤其涉及一种N掺杂SiC纳米针及其应用。
技术介绍
随着柔性可穿戴式及便携式功能化电子器件的发展，要求构建其工作器件的各组件不仅需具有良好的柔韧性，还需要其能提供足够优越的工作性能及稳定性。因而，利用低维纳米半导体组元构建兼具机械柔性和优越性能的功能柔性系统，是当前国内外活跃的研究热点之一。场发射是低维纳米材料的固有特性之一。研究表明，纳米结构具有传统材料所不具备的优异场发射性能，在显示等光电器件领域具有巨大的潜在应用前景。然而，基于低维纳米结构的场发射阴极材料得以真正应用还有赖于其性能的进一步改善和提高，比如获得更低的开启和高的电子发射稳定性等。SiC是一种重要的第三代半导体材料，其低维纳米结构由于具有高的禁带宽度、高热导率和电子饱和迁移率、小的介电常数等优越特性，在场发射阴极材料领域有着广泛的应用前景，近十年来颇受关注。1999年，Wong等人首次报道了SiC纳米线的电子发射特性。随后，国内外大量的工作报道了不同形貌的SiC低维纳米结构的场发射特性，如SiC纳米线的开启电场为3.33-10.1V/μm，SiC纳米带的开启电场为3.2V/μm，SiC/Si纳米异质结构的开启电场为2.6V/μm，SiC/SiO2纳米电缆的开启电场为3.3～4.5V/μm，阵列化SiC纳米线的开启电场为0.7-1.5V/μm。然而，已有研究工作主要集中在基于硬性衬底上(如Si片和金属片等)的SiC场发射阴极材料，其柔性场发射阴极材料的研究不多，而具有优异场发射性能的原子掺杂SiC纳米结构柔性阴极材料更鲜有文献报道。如中国专利技术专利(公开号：CN103311068A)公开了一种SiC柔性场发射阴极材料的制备方法，该专利通过有机前驱体热解法，以碳布为柔性衬底，实现了柔性SiC准定向生长的纳米线阵列结构的制备，进而实现SiC柔性场发射阴极材料的制备。而且，场发射性能检测结果表明，所制备的SiC柔性场发射阴极材料具有优异的电子发射特性。但是该专利制备得到的为阴极材料为端部带有催化剂颗粒的SiC纳米线，且没有公开原子掺杂SiC纳米结构柔性阴极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种具有较低的开启电场和高的电子发射稳定性的N掺杂SiC纳米针。本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：一种N掺杂SiC纳米针，N原子的掺杂量为2-10at％，纳米针长为1-100μm，针尖端的直径为50-500nm。本专利技术N掺杂SiC是端部干净而尖锐的SiC纳米针结构，在形貌上与纳米线、纳米带等有明显差别。在这些形貌中，纳米针结构更有利于提高场发射性能。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，纳米针包括有棱柱结构。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，纳米针的相成分为3C-SiC。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，纳米针为单晶结构。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，N掺杂SiC纳米针的制备方法为：将有机前驱体进行预处理；将催化剂形成于柔性衬底上；将有机前躯体和柔性衬底一起置于气氛烧结炉中，加热至1700-1800℃进行热解，然后冷却降温至1000-1200℃，最后随炉降至室温，得到N掺杂SiC纳米针。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，有机前躯体为含Si和C元素的有机前躯体。进一步优选聚硅氮烷。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，预处理包括热交联固化和粉碎。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，热交联固化在N2气氛下于200-350℃下进行，保温15-50min。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，形成于柔性衬底上的催化剂的厚度为5-20nm。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，催化剂为Au、Ag、Cu中的一种。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，柔性衬底为碳纤维布。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，气氛烧结炉中的热解气氛为N2:Ar＝(3-10)：(90-97)的混合气(体积比)，纯度为99.99％。本专利技术SiC纳米针中的N原子是从热解气氛中的N2分解掺入的，因此，热解气氛中N2的体积比以及热解气氛的浓度对N原子的掺杂起着重要影响作用。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，热解的升温速率为20-40℃/min。在上述的一种N掺杂SiC纳米针中，冷却降温速率为10-20℃/min。本专利技术的另一个目的在于提供一种N掺杂SiC纳米针的应用，该N掺杂SiC纳米针作为(柔性)场发射阴极材料。在上述的一种N掺杂SiC纳米针的应用中，阴阳极间距为300-1000μm时，其开启电场为0.5-2.8V/μm。与现有技术相比，本专利技术具有以下几个优点：1.本专利技术实现了N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极材料的制备。2.本专利技术所制备的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极材料在不同温度下均具有较低的开启电场。3.本专利技术所制备的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极材料在高温下具有稳定的电子发射特性。附图说明图1为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极的数码照片；图2为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极的低倍扫描电镜(SEM)图；图3为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米针柔性场发射阴极的高倍扫描电镜(SEM)图；图4为本专利技术实施例1所制得的N掺杂SiC纳米针的N原子面扫图。具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例，并结合附图说明对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于这些实施例。实施例1：初始原料选取聚硅氮烷，在N2气氛保护下于260℃保温30min进行热交联固化。将固化得到的SiCN固体装入尼龙树脂球磨罐中，球磨粉碎成粉末。称取300mg的聚硅氮烷粉末置于石墨坩埚容器底部。裁取碳纤维布5×5cm(长×宽)，在其表面喷涂一层10nm厚的Au膜作催化剂。将喷Au处理后的碳纤维布置于石墨坩埚容器顶部，并放在石墨电阻加热的气氛烧结炉中。气氛炉先抽真空至10-4Pa，再充入N2:Ar＝5:95的混合气(纯度为99.99％)，直至压力为一个大气压(～0.11Mpa)，此后压力恒定。然后以30℃/min的速率从室温快速升温至1750℃进行热解，然后再以16℃/min的速率降温至1100℃，最后随炉冷却至室温，得到N掺杂SiC纳米针本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种N掺杂SiC纳米针，其特征在于，所述N原子掺杂量为2‑10at％，所述纳米针长为1‑100μm，针尖端的直径为50‑500nm。

【技术特征摘要】
1.一种N掺杂SiC纳米针，其特征在于，所述N原子掺杂量为2-10
at％，所述纳米针长为1-100μm，针尖端的直径为50-500nm。
2.根据权利要求1所述的一种N掺杂SiC纳米针，其特征在于，
所述纳米针包括有棱柱结构。
3.根据权利要求1所述的一种N掺杂SiC纳米针，其特征在于，
所述纳米针为单晶结构，相成分为3C-SiC。
4.根据权利要求1所述的一种N掺杂SiC纳米针，其特征在
于，所述N掺杂SiC纳米针的制备方法为：将有机前驱体进行预
处理；将催化剂形成于柔性衬底上；将有机前躯体和柔性衬底一
起置于气氛烧结炉中，加热至1700-1800℃进行热解，然后冷却
降温至1000-1200℃，最后随炉降至室温，得到N掺杂SiC纳米
针。
5.根据权利要求4所述的一种N掺杂SiC纳米针，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈善亮，高凤梅，王霖，郑金桔，杨为佑，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33