调控SiC纳米阵列密度的方法技术

本发明专利技术公开的调控SiC纳米阵列密度的方法，包括如下步骤，1)、前躯体准备；基体准备；2)、催化剂沉积：在准备好的基体表面沉积催化剂层；3)、将沉积有催化剂层的基体以及前躯体共同于烧结氛围中烧结，前躯体热解在基体表面形成SiC纳米阵列。本发明专利技术公开的制备方法工艺简单，生产方便，便于扩大规模，安全性好，产品质量稳定性好，产品性能稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无机半导体材料的制备方法，特别是。
技术介绍
碳化硅(SiC)是第三代半导体的核心材料之一，与元素半导体材料(Si)和其他化合物半导体材料GaAs、GaP和InP相比，它具有很多优点。碳化硅不仅具有较大的带隙宽度(3C、4H、6H型碳化硅在室温下的带隙宽度分别为2.23,3.22,2.86eV)，而且具有高临界击穿电场、高热导率、高载流子漂移速度等特点，在高温、高频，大功率，光电子和抗辐射等方面具有巨大的应用前景。用碳化硅取代硅，制备光电器件和集成电路，可为军用电子系统和武器装备性能的提高，以及抗恶劣环境的电子设备提供新型器件。此外，SiC纳米结构具有很高的硬度、韧性、耐磨性、耐高温性、低的热膨胀系数等优良特性，在制备高性能复合材料、高强度小尺寸复合材料构件、表面纳米增强复合材料以及构筑纳米光电器件等方面具有非常诱人的应用前景。SiC纳米结构的物理特性赋予了其优异的场发射性能，被认为是场发射冷阴极材料的优异候选材料之一。对于全色显示来说，蓝光是必不可少的成分。虽然3C_SiC具有较大的带隙宽度(2.23eV)，但其发光区域仍在蓝光范围内，并且碳化硅是一种间接带隙半导体材料，体材料的碳化硅在室温下的发光非常微弱。根据量子限制相关理论，小尺寸效应可导致激发和复合效率大大增强，所以当碳化硅的颗粒尺寸减小到纳米量级时，发光效率将得到极大提高。同时当尺寸减小到体材料的波尔激子半径以下时，纳米颗粒的带隙将会加宽，从而其发光将随颗粒尺寸减小而发生蓝移。所以制备小尺寸的碳化硅颗粒，可以实现其强蓝光发射，这将对微电子和光电子领域产生重要影响。此外，碳化硅具有相当好的生物兼容性，特别是与血液的兼容性，并且SiC密度较小，化学稳定较好，所以碳化硅纳米颗粒有望在生物医学、电化学领域得到广泛的应用，如可以用作发光生物标签、光解水的表面催化剂。近年来研究表明，3C-SiC纳米颗粒对肿瘤细胞具有选择性的生物毒性，3C-SiC纳米颗粒基薄膜的可调致发光能使其成为下一次光电器件的候选材料。纳米阵列与杂乱无序的场发射冷阴极材料相比，高定向的纳米阵列结构更有利于获得更高的电流密度和更均匀更稳定的发射电流。纳米阵列的密度是影响场发射应用的关键因素之一。一般而言，纳米阵列结构的密度越高，其电子发射点就越多，因而其场发射电流就越高。然而，如果纳米阵列结构的密度过高，则易产生场电子发射屏蔽效应，反而会降低其电子发射效果，最终导致场发射性能减弱。因而，为了获得优异的场发射性能，对纳米阵列密度的调控显得尤为重要，是其真正器件化应用的重要基础之一。目前已经有很多SiC纳米线的制备方法，如碳纳米管模板法、化学气相沉积法、碳热还原法、溶胶凝胶法、阳极氧化法(如中国专利104118843A，具有操作复杂，试剂污染大等问题)等。中国专利文献CN1834309A公开了一种利用碳纳米管模板法合成两种不同形貌的碳化硅纳米线的方法，该方法将Si粉与多壁碳纳米管作为原材料置于氧化铝坩祸内，将坩祸置于氩气气氛下的真空高温烧结炉内，升温至1410?1600°C，恒温3?9h，其以碳纳米管作为碳化硅纳米线和呈葫芦状的纳米碳化硅的生长模板，即得到直径分布较均匀的、直的并排无层错缺陷的碳化娃纳米线和呈葫芦状的纳米碳化娃。上述技术中，主要通过定向的碳纳米管作为模板，使得Si粉在高温下发生化学反应，沿碳纳米管定向合成SiC纳米线。碳纳米管模板法合成纳米线是非常重要而且有效的一种方法。一方面，它在反应中提供所需的碳源，消耗自身，另一方面，碳纳米管提供了形核场所，同时又限制了生成物的生长方向。然而碳纳米管价格比较昂贵，所以导致碳纳米管模板法的成本很高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开的SiC纳米阵列及其制备方法，工艺简单，安全性高，可控性好，生产方便，产品质量稳定性好，灵敏度高。本专利技术公开的SiC纳米阵列，包括基体和形成于基体表面的纳米阵列，纳米阵列为SiC纳米线排列，其中SiC纳米线(纳米线为下粗上细的针状结构或者线状结构)中SiC晶型为C型或者H型或者R型；SiC纳米阵列中纳米线的阵列密度为(5.0-6.0) X 17根/cm2。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，SiC纳米阵列中SiC纳米线的阵列密度为(5.2-5.7) X 17根/cm2。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，基体为SiC基体，其中SiC基体的晶格结构包括 3C-SiC、2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC 中的任一。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，SiC纳米线中SiC晶型为C型时SiC为3C-SiC ;SiC纳米线中SiC晶型为H型时SiC为2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC中任一 ；SiC纳米线中SiC晶型为R型时SiC为15R-SiC。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，纳米阵列为SiC纳米线取向排列。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，纳米阵列为SiC纳米线取向均匀排列。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，SiC纳米线的长度范围为2_15微米。本专利技术公开的SiC纳米阵列的一种改进，SiC纳米线的平均直径(以纳米线距基体表面1/3处直径计)范围为0.1-0.3微米。本专利技术公开的，包括如下步骤，I)、前躯体准备；基体准备；2)、催化剂沉积:在准备好的基体表面沉积催化剂层；3)、将沉积有催化剂层的基体以及前躯体共同于烧结氛围中烧结，前躯体热解在基体表面形成SiC纳米阵列。本专利技术公开的的一种改进，步骤I)中前躯体为含有Si和C元素的聚合物，如聚硅氮烷、聚硅氧烷、聚碳硅烷。本专利技术公开的的一种改进，步骤I)中前躯体准备为将前躯体经过烧结后粉碎得到，其中烧结工艺为将前躯体在保护氛围下于200-300°C热解保温 20-60min。本专利技术公开的的一种改进，步骤I)中基体准备为将基体经至少一次清洗去除基体表面杂质。本专利技术公开的的一种改进，步骤I)中基体准备中的基体清洗为将基体置于酮类溶剂或水(去离子水或者双蒸水)或醇类溶剂中超声清洗，超声清洗时间5-20min。进一步地优选，步骤I)中基体准备中的基体清洗为将基体依次置于酮类溶剂(酮类溶剂为丙酮、丁酮，优选为丙酮)、水(水优选为去离子水或者双蒸水)和醇类溶剂(醇类溶剂可以为乙醇、丙醇、丙二醇、丙三醇，优选为乙醇)中超声清洗，超声清洗时间 5-20min。本专利技术公开的的一种改进，步骤2)中催化剂层为金属层。进一步地优选，步骤2)中催化剂层为金层或者铁层或者镍层或者镧层。金属层厚度40-100nm，优选为 50_90nm。本专利技术公开的的一种改进，步骤3)中烧结温度为1350-1750°C，烧结时间为 10-120min。本专利技术公开的的一种改进，步骤3)中烧结为在保护气氛下进行。本专利技术公开的的一种改进，步骤3)中保护氛围为N2/Ar混合气氛(N2占混合气总体积0-100% )。本专利技术中实现了 SiC纳米阵列的制备，具有操作工艺简单可控，实用性强，易于实现工业化生产，同时SiC纳米阵列品当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
调控SiC纳米阵列密度的方法，其特征在于：包括如下步骤，1)、前躯体准备；基体准备；2)、催化剂沉积：在准备好的基体表面沉积催化剂层，通过调节催化剂层的厚度实现对SiC纳米阵列的阵列密度的调控；3)、将沉积有催化剂层的基体以及前躯体共同于烧结氛围中烧结，前躯体热解在基体表面形成SiC纳米阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王霖，陈善亮，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