ＳｉＣ单晶低维纳米材料可控掺杂制造技术

一种有机前驱体共热解实现ＳｉＣ单晶低维纳米材料可控掺杂新方法，其包括以下具体步骤：（１）将两种有机前驱体聚硅氮烷和异丙醇铝按不同比例球磨混合均匀；（２）混合均匀后进行交联固化，得到非晶态固体；（３）将非晶态固体装入尼龙树脂球磨罐中，引入催化剂，在球磨机中进行球磨粉碎；（４）球磨后的混合物进行高温热解。本发明专利技术可以实现在分子水平上对ＳｉＣ单晶低维纳米材料掺杂水平的调控和设计，从而实现对ＳｉＣ单晶低维纳米材料光电等性能的调控，为其纳米器件的研发奠定一定的基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种SiC单晶低维纳米材料可控掺杂的方法，属于材料制备

技术介绍
纳米技术是21世纪科技发展的前沿和焦点，将对国家未来科技进步、经济和社会发展以 及国防安全具有重要意义。世界上已有50多个国家将纳米技术作为21世纪技术创新的主要 驱动器，并相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米技术发展。我国于2006年 初制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》，将纳米科学列入这段时期内基 础科学研究四个主要方向之一。自1991年纳米碳管被日本NEC公司的Iijima教授发现以来，纳米管、纳米线和纳米带 等低维纳米材料的研究一直是纳米科技的研究重点和热点。哈佛大学科学家Lieber教授认为 "一维体系是可用于电子有效传播及光激发的最小维度结构，因此可能成为实现纳米器件集 成与功能的关键"。低维纳米结构是人们研究材料的电学、热学和力学性能与维度和量子限制 效应相关性的一种有效的研究系统。这些低维纳米结构，有可能在制备纳米尺寸的电子、光 电、电化学和电机械器件时作为连接和功能单元发挥重要作用。然而，低维纳米结构在维度、 形貌、相纯度和化学成分的调控等困难大大影响了其研究进程。SiC半导体低维纳米结构，由于特有的纳米效应而表现出诸多优于传统体材料的光电等 性能，成为近期研究的一个热点。SiC具有宽带隙(4H-SiC为3.26eV， 6H-SiC为2.86eV， 3C墨SiC为2.2eV)以及较高的击穿电压(4H-SiC为2.2MV cm'1， 6H-SiC为2.5 MV cm"， 3C-SiC为2.12 MV em")，高热导率(4H-SiC为3.7W 6H-SiC为4.9 W cm"!C1, 3C-SiC为3 .2 W 'cm"K")，高电子迁移率(4H-SiC为lOOOcmV-V1, 6H-SiC为400 cm2v"s"， 3C-SiC为800 cmW)和高电子漂移速率(4H-SiC和6H-SiC均为2X 107cm s'1， 3C-SiC 为2.5X10、m"")，是第三代宽带隙半导体材料，主要用于苛刻工作环境如高温、高频、大 功率、光电子和抗辐射器件,具有巨大而广泛的应用潜力。同时SiC材料在任何温度下都不会 熔化，当温度高于180(TC时发生升华现象，低于1500'C时SiC具有相当高的稳定性，从而避 免了常用半导体材料如Si和GaP等高温条件下的不稳定性问题。另外，SiC低维纳米材料具 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。据文献报道，制备SiC低维纳米材料的方法主要有模板法(大部分 采用碳纳米管作为模板)、碳热还原法、化学气相沉积(CVD)、直接化学反应法，电弧放电 法，水热和溶剂热法和热蒸发法等。上述方法极大的丰富了 SiC低维纳米材料的制备科学， 然而对于SiC单晶低维纳米材料的可控掺杂至今在国内外未见报道。本专利技术所要解决的技术问题是提供一种SiC单晶低维纳米材料可控掺杂的方法。本专利技术 的方法的设备和工艺简单可控，并具有很好的可重复性，在合成SiC单晶低维纳米材料的同时即实现掺杂，最大的优点在于能够实现对低维纳米材料的掺杂量进行设计和调控，从而达 到对其光电性能的调控。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为该SiC单晶低维纳米材料的方法，其包 括以下具体步骤1) 球磨混合将原料两种有机前驱体按不同比例置于球磨罐中行星球磨，使得原料混合 均匀；2) 低温交联固化有机前驱体球磨混合均匀后在保护气氛下于进行低温交联固化，得到 非晶态固体；3) 高能球磨粉碎将非晶态固体装入尼龙树脂球磨罐中在高能球磨机中进行干法球磨粉 碎，球磨的同时引入催化剂，使得非晶态粉末与催化剂混合均匀；4) 高温热解高能球磨后的混合物进行高温热解，在一定热解温度于保护气氛下热解一 定时间即可得到具有不同掺杂量的单晶低维纳米材料。所述步骤(1)中，使用的原料为聚硅氮烷和异丙醇铝，亦可采用含有其他金属元素的有 机前驱体从而实现相应的其他元素的掺杂。所述步骤(1)和(3)中，优先选用的磨介为SiC陶瓷球，使用的球磨罐为尼龙树脂球 磨罐，亦可使用陶瓷球磨罐，避免使用不锈钢等金属球磨罐以减少其他杂质污染。所述步骤(3)中，所使用的球磨方式为高能球磨，所引入的催化剂为FeCl2。亦可采用 其他的金属元素及其化合物，如Fe、 Fe(N03)3、 Ni和Co等。所述步骤(2)和(4)中，所使用烧结炉为管式气氛烧结炉，亦可采用其他气氛烧结炉。所述步骤(2)和(4)中，为了控制单晶低维纳米材料的生长及其免受污染，在N2和 Ar等气体下进行热解。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1. 本专利技术实现了 SiC单晶低维纳米材料的可控掺杂；2. 设备和工艺简单，具有很高的可重复性，可控性强，简单的控制合成工艺中的一些关键工艺参数即可获得具有不同掺杂量的低维纳米材料；3. 所合成低维纳米材料纯度高，表面光洁；4. 低维纳米材料产率较高，可达 50%。附图说明图l为本专利技术实施例一所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的扫描电镜(SEM)图； 图2为本专利技术实施例一所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的扫描电镜(SEM)图； 图3为本专利技术实施例一所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的能谱(EDX)图； 图4为本专利技术实施例一所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的透射电镜(TEM)图； 图5为本专利技术实施例一所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的高分辨透射电镜(TEM)及其对应的选区衍射(SAED)图； 图6为本专利技术实施例二所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的扫描电镜(SEM)图； 图7为本专利技术实施例二所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的透射电镜(TEM)图； 图8为本专利技术实施例三所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的扫描电镜(SEM)图； 图9为本专利技术实施例三所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的透射电镜(TEM)图； 图10为本专利技术实施例四所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的透射电镜(TEM)图； 图ll为本专利技术实施例五所制得的Al掺杂SiC单晶纳米线的透射电镜(TEM)具体实施例方式以下结合附图实施例对本专利技术作进一步的详细描述。实施例一称取初始原料(5 wty。异丙醇铝+95 wt%聚硅氮烷)共10g，装入尼龙树脂球磨罐中行 星球磨12小时，混合均匀后置于99氧化铝陶瓷坩锅中，在O.lMPa的N2气保护气氛下于管 式烧结炉中以1(TC/min从室温升温到26(TC,保温0.5小时进行交联固化，得到非晶态SiAlCN 固体。将SiAlCN固体装入尼龙树脂球磨罐中，加入3wtn/。的FeCb粉末作为催化剂在高能球 磨机中进行干法球磨粉碎24小时，然后将高能球磨粉碎后得到的SiAlCN粉末置于99氧化 铝陶瓷坩锅中，在O.lMPa的流动(200ml/min) Ar气氛保护下于管式炉中以10°C/min从室 温升温到145(TC进行高温热解，保温2小时，然后随炉冷却到室温。Al掺杂的SiC单晶纳米 线典型低倍和高倍SEM、 TEM、 HRTEM、 SAED和EDX分别如图1 5所示，表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳｉＣ单晶低维纳米材料可控掺杂的新方法，其包括以下具体步骤：１）球磨混合：将原料两种有机前驱体聚硅氮烷和异丙醇铝按不同比例置于球磨罐中行星球磨混合均匀；２）低温交联固化：有机前驱体球磨混合均匀后在保护气氛下在一定温度下进行交联固化，得到非晶态固体；３）高能球磨粉碎：将非晶态固体装入尼龙树脂球磨罐中在高能球磨机中进行干法球磨粉碎，球磨的同时引入催化剂，使得非晶态粉末与催化剂混合均匀；４）高温热解：高能球磨后的混合物进行高温热解，在一定热解温度于保护气氛下热解一定时间即可得到具有不同掺杂量的单晶低维纳米材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨为佑，高凤梅，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]