一種精確控制SiC一維納米材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種一維納米半導體材料的生產制備方法，特別是一種精確控制SiC一維納米材料的方法。
[0002]本發明方案所涉及之截面為三角形包括而不限于邊界為直線的常規三角形和邊界為曲線的近三角形等；球形或者橢球形包括一般的球形結構及其近似結構或者橢球形結構及其近似結構；光滑除特定限定外，均指在相應觀察環境的一般條件下的視覺效果，不光滑指在相應觀察環境下的視覺效果為被觀測物表面具有起伏或者凹凸或者孔槽結構；同時需要說明的是本技術方案中涉及加工工藝的技術方案時，文字先后的限定并不等同于工藝步驟前后的限定。
【背景技術】
[0003]自1991年日本科學家用高分辨電子顯微鏡發現了碳納米管以來，一維半導體納米材料的制備科學及其器件應用一直是納米科技中的研究重點和熱點，已成為研究材料的電學、熱學和力學性能與維度和量子限制效應相關性的一種有效研究系統，作為連接和功能單元在微納器件中將發揮越來越重要的作用，有望為新穎、高效的光電器件取得重大突破提供契機。近十年來，研究人員不斷探索新的合成工藝，制備出具有優異性能的納米管、納米棒、納米線、半導體量子線、納米帶、納米線陣列等各種一維半導體納米結構。
[0004]SiC是繼第一代(Si)和第二代(GaAs)半導體材料之后發展起來的第三代半導體材料。與其傳統體材料相比，一維SiC納米結構具有優異的物理和化學性能，比如高的禁帶寬度、高的熱導率和電子飽和迀移率、小的介電常數和較好的機械性能等特性，在場發射陰極、場效應晶體管、光電探測器和壓力傳感器等領域有著巨大的應用前景，近年來頗受關注。Zhang等研究表明:經過Al摻雜的SiC納米線具有很低的開啟電場(Eto= 0.55?1.54V μπι:)，是性能優異的場發射陰極材料。P型SiC納米線在43.8?140.2ηΝ壓力下的縱向壓阻系數達到51.2?159.5X10 11Pa \在高靈敏壓力傳感器領域展現巨大應用潛力。以3C-SiC納米線構建的P型場效應晶體管表現出高的空穴載流子濃度(?1.7 X 117Cm 3)、低的迀移率(?6.4cm2/ (V.s))和較弱的門濫效應。
[0005]—維SiC納米結構的形貌對其應用有直接影響，實現對SiC —維形貌的精確控制對其潛在的應用有重大意義。
【發明內容】
[0006]為解決上述問題，本發明公開了一種精確控制SiC —維納米材料的方法，通過生產工藝中對熱解溫度等工藝參數的控制，實現了多種截面形態的柱形結構的，實現了納米材料的圓柱形和三棱柱形的結構形態，同時具有良好的結構穩定性和半導體性能，同時加工制備方便，易于實現。
[0007]本發明公開的SiC —維納米材料，其中SiC —維納米材料包括柱狀的本體和形成于本體端部的頭部，所述本體的徑向截面為圓形或者三角形，所述主體中包括以結晶形式存在的SiC晶體，所述頭部包含有元素鈷。
[0008]本發明公開的SiC —維納米材料的一種改進，SiC 一維納米材料的本體中SiC的結晶形態為3C、2H、4H、6H、15R中的一種。
[0009]本發明公開的SiC —維納米材料的一種改進，頭部為含有碳元素和硅元素的鈷合金。
[0010]本發明公開的SiC—維納米材料的一種改進，本體表面為光滑表面或者粗糙表面；當本體表面為粗糙表面時，本體表面具有棱凸結構或者凹凸結構或者孔結構，棱凸的延伸方向一致或者不一致。
[0011]本發明公開的SiC —維納米材料的一種改進，頭部尺寸為0.5-1微米(最大徑)。
[0012]本發明公開的SiC —維納米材料的一種改進，本體的最大徑為0.3-2微米。
[0013]本發明公開的SiC—維納米材料的一種改進，頭部為球形或者橢球形，頭部的表面為光滑表面或者不光滑表面(如表面具有凹凸結構或者瓣狀結構)。
[0014]本發明公開的SiC —維納米材料在光電器件中作為半導體材料的應用。
[0015]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法，包括如下步驟，
[0016]前軀體準備；
[0017]基體預處理，包括將催化劑引入基體(基體可以為碳纖維布);
[0018]納米線生長，為將基體與前軀體在保護氛圍下燒結，升溫至熱解溫度，熱解前軀體從而在基體表面形成SiC —維納米材料，其中SiC —維納米材料包括本體以及形成于本體? 而部的頭部；
[0019]冷卻。
[0020]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，納米線生長中燒結時，前軀體的熱解溫度為1550?1650°C，熱解時間為5-30min。溫度過低不利于前軀體原料中碳硅元素的完全熱解而形成碳硅鍵，易于引入雜質元素；而過高則有燒焦糊化，同樣因能量過高也會不利于碳娃元素成鍵，形成碳化娃納米材料的基本單元。
[0021]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，納米線生長中燒結時，升溫至熱解溫度的升溫速度為20-40°C /min。
[0022]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，前軀體熱解時的保護氛圍為氮氣氛圍或者氬氣氛圍或者氮氣氬氣混合氣氛圍(其中氮氣氬氣混合氣氛圍時，氮氣占混合氣總體積的3-8 (v/v) % )。
[0023]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，基體預處理時催化劑引入為以催化劑的乙醇溶液浸漬基體后干燥。
[0024]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，催化劑為鈷鹽(如硝酸鈷)，鈷離子在乙醇溶液中的濃度為0.02-0.15moL/L0
[0025]本發明公開的精確控制SiC—維納米材料的方法的一種改進，所述基體預處理中催化劑引入時基體以催化劑的乙醇溶液浸漬的過程中還進行超聲波處理5-30S。這里采用超聲波進行處理，是為了利用超聲處理過程中的超空泡的生成與煙滅所形成的能量沖擊，使得鈷離子充分地分散到基體表面，同時對基體以及鈷離子進行活化，改善基體表面官能團以及鈷離子絡合結構的活性，從而有利于納米材料在基體上的生長以及促進催化劑頭部的形成，實現本技術方案特定的材料結構和性能。
[0026]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，前軀體準備時，前軀體的原料為至少含有Si和C元素的有機物。
[0027]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，前軀體準備為將原料經過熱交聯固化后粉碎得到。
[0028]本發明公開的精確控制SiC —維納米材料的方法的一種改進，前軀體準備時，固化后的原料經粉碎后的粉末的粒徑尺寸為0.3-5 μm。通過控制原料粉末的尺寸，有利于對納米線在燒結過程中生長時的晶型穩定性進行控制，在采用較小的晶粒時，由于熱解速度較快，生長速度較高，晶胞結構極易出現位錯等缺陷，使得單晶形態的一維材料難以實現，同時原子的堆疊周期同樣會被延長，無論是在實現C型、R型、H型結構時均難以得到周期較短的晶體結構，并且由于生長速度快，材料的直接會較為粗胖，對性能控制不易；而粒徑過于粗大，則會導致燒結熱解效率低，受熱不均，甚至出現原料來不及熱解而成為材料中雜質的現象，對燒結熱解過程的控制要求稍顯嚴格。
[0029]與現有技術相比，本發明的優點在于:
[0030]1、本發明通