本發(fā)明涉及一種SiC納米線的制備方法，尤其涉及一種B摻雜SiC納米線的制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

SiC是一種重要的第三代半導(dǎo)體材料。與其體材料相比，低維SiC納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異物理、化學(xué)特性，如高禁帶寬度、高熱導(dǎo)率和電子遷移率、小介電常數(shù)和較好的機械性能?；谏鲜鎏匦裕琒iC低維納米結(jié)構(gòu)特別適用于苛刻工作條件如高溫、高頻、大功率和抗輻射器件，在制備高性能復(fù)合材料、高強度復(fù)合材料構(gòu)件、表面納米增強復(fù)合材料及構(gòu)筑納米光電器件等方面具有誘人的應(yīng)用前景，近十年受到廣泛關(guān)注。

對半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)進行原子摻雜被證實是改善其性能的有效方法。半導(dǎo)體納米材料經(jīng)摻雜后，其固有屬性如光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)等性能有明顯變化，對推進其功能化應(yīng)用具有顯著作用。SiC納米結(jié)構(gòu)原子摻雜研究目前也已取得一定進展。研究表明，經(jīng)Al、N和P原子摻雜后，SiC納米結(jié)構(gòu)場發(fā)射陰極的開啟電場均顯著降低，Al摻雜的SiC納米線的光致發(fā)光譜發(fā)生一定程度的藍移，P摻雜SiC顆粒的Raman光譜出現(xiàn)一定程度的藍移。這些研究結(jié)果表明，SiC低維納米結(jié)構(gòu)經(jīng)原子摻雜后性能發(fā)生明顯變化，具有很大的應(yīng)用潛力。

目前，原子摻雜SiC納米結(jié)構(gòu)的研究取得一定進展，如中國專利(申請?zhí)枺?01410176393.1)公開了一種提高SiC場反射陰極材料高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性的方法，該方法實現(xiàn)了原位B摻雜SiC納米線的場發(fā)射陰極材料的制備，提高了高溫電子發(fā)射穩(wěn)定性，但該方法中B的引入是通過熱解聚硅硼氮烷，只能制備固定濃度的B摻雜SiC納米線，不能實現(xiàn)B摻雜濃度的調(diào)控，SiC納米線生長在脆性碳紙襯底，且納米線表面質(zhì)量不高，對其后續(xù)性能檢測有很大影響。另外現(xiàn)有技術(shù)中，在實現(xiàn)SiC納米結(jié)構(gòu)的摻雜濃度及其形貌有效調(diào)控方面的仍存在很大不足，對促進其功能化應(yīng)用很大障礙，亟待解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種B摻雜SiC納米線的制備方法，豐富了SiC納米結(jié)構(gòu)摻雜原子種類，有利于SiC納米結(jié)構(gòu)的功能化應(yīng)用。

本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種B摻雜SiC納米線的制備方法，所述的制備方法包括如下步驟：

將有機前驅(qū)體進行預(yù)處理，然后與B₂O₃粉末混合均勻；

將混合均勻后的物料及柔性襯底一起至于氣氛燒結(jié)爐中，先從室溫加熱至1280-1350℃，再加熱至1380-1480℃，然后冷卻至1330-1380℃，接著冷卻至1080-1150℃，最后隨爐冷卻至室溫，得到B摻雜的SiC納米線。

本發(fā)明通過調(diào)控有機前驅(qū)體與B₂O₃粉末的質(zhì)量比，能夠?qū)崿F(xiàn)B摻雜量的精確控制，且本發(fā)明中SiC生長在碳纖維柔性襯底上。另外，SiC納米線的生長與溫度有直接的關(guān)系，本申請中分階段加熱、冷卻能夠有效實現(xiàn)SiC納米結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，使制備的B摻雜SiC的表面在具備很多尖銳的棱邊和棱角的同時，仍具有高的結(jié)晶性和高質(zhì)量的表面，對其后續(xù)性能檢測及應(yīng)用不會有什么影響。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的有機前驅(qū)體為含有Si和C元素的有機前驅(qū)體。

作為優(yōu)選，所述的有機前驅(qū)體為聚硅氮烷。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的預(yù)處理包括熱交聯(lián)固化和球磨粉碎。

作為優(yōu)選，所述的熱交聯(lián)固化在N₂氣氛下于230-280℃下進行，保溫20-50min。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，有機前驅(qū)體與B₂O₃粉末的質(zhì)量比為3-6:1。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的柔性襯底為碳纖維布。

作為優(yōu)選，所述的碳纖維布經(jīng)過如下方法處理：先在純度為99％的濃度為0.05mol/L的Co(NO₃)₂的乙醇溶液浸漬并超聲處理8-10s，取出后自然晾干。碳纖維布通過在Co(NO₃)₂的乙醇溶液浸漬引入催化劑。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的氣氛燒結(jié)爐為石墨電阻氣氛燒結(jié)爐，氣氛燒結(jié)爐中的熱解氣氛為氬氣。具體為高純氬氣，純度為99.99％以上。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，從室溫加熱至1280-1350℃的過程中，升溫速率為28-35℃/min。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，從1280-1350℃加熱至1380-1480℃的過程中，升溫速率為20-25℃/min。

在上述B摻雜SiC納米線的制備方法中，冷卻至1330-1380℃及從1330-1380℃冷卻至1080-1150℃采用的冷卻速率均為3-5℃/min。

本發(fā)明制得的B摻雜SiC納米線的表面具有大量尖銳的棱邊和棱角。

作為優(yōu)選，B摻雜SiC納米線的相成分為3C-SiC。

作為優(yōu)選，B摻雜SiC納米線為單晶結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明實現(xiàn)了在柔性碳纖維布襯底上對SiC納米線進行B摻雜及其密度調(diào)控。

2、通過本發(fā)明制備方法制得的SiC納米線的表面具有大量尖銳的棱邊和棱角。

3、本發(fā)明的制備方法工藝簡單可控，具有很好的重復(fù)性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中制得的生長在碳布襯底表面的B摻雜SiC納米線的X射線衍射(XRD)圖；

圖2為本發(fā)明實施例1中制得的生長在碳布襯底表面的B摻雜SiC納米線的掃描電鏡(SEM)圖；

圖3為本發(fā)明實施例1中制得的B摻雜SiC納米線的透射電鏡(HRTEM)圖和選取電子衍射(SAED)圖；

圖4為本發(fā)明實施例1中制得的B摻雜SiC納米線的能譜(EDS)圖；

圖5為本發(fā)明實施例1中制得的B摻雜SiC納米線中B元素的面掃圖。

具體實施方式

以下是本發(fā)明的具體實施例，并結(jié)合附圖說明對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實施例。

實施例1

初始原料選取聚硅氮烷，在N₂氣氛保護下于260℃保溫30min進行熱交聯(lián)固化。將固化得到的SiCN固體裝入尼龍樹脂球磨罐中，球磨粉碎成粉末。稱取300mg聚硅氮烷粉末和60mg B₂O₃粉末，將粉末混合均勻后置于石墨坩堝底部。裁取碳布5×5cm(長×寬)，在0.05mol/L Co(NO₃)₃乙醇溶液中浸漬并超聲處理10s，取出后置于空氣環(huán)境中自然晾干。將處理后的碳布襯底置于石墨坩堝頂部，之后連同坩堝一起放入石墨電阻加熱的氣氛燒結(jié)爐中。氣氛爐先抽真空至10^-4Pa，再充入高純氬氣(純度為99.99％)，直至壓力為一個大氣壓(～0.11Mpa)，此后壓力恒定。然后以30℃/min的速率從室溫快速升溫至1300℃，再以23℃/min的速率升溫至1400℃，然后以4℃/min的速率冷卻至1350℃，保溫10min后，再以4℃/min的速率冷卻至1100℃，最后隨爐冷卻至室溫，得到B摻雜的SiC納米線。

圖1為實施例1表面生長有SiC納米結(jié)構(gòu)的碳布的XRD圖譜，表明制備的材料的相成份為3C-SiC，且具有較高的結(jié)晶性。

圖2為實施例1中在碳布襯底上生長的SiC納米線的SEM圖，表明納米線均勻的生長在整根碳纖維的表面，納米線由直徑較大的結(jié)和直徑較小的縮頸兩種形貌交替排列組成，直徑為540nm，表面粗糙，具有很多尖銳的棱邊和棱角。

圖3為實施例1中SiC納米線的HRTEM和SAED圖，表明SiC納米線為單晶，其中，直徑較大的結(jié)中具有較好的晶體結(jié)構(gòu)，基本無缺陷存在，而縮頸部位具有很多的層錯。

圖4為實施例1中SiC納米線的EDS圖，檢測到B元素存在于SiC納米線中，表明對SiC納米線實現(xiàn)了B摻雜。

圖5為B元素的面掃圖，表明B摻雜劑均勻的分布在SiC納米線中，進一步證明對SiC納米線實現(xiàn)了B摻雜。

在上述的一種B摻雜SiC納米線的制備實施例及其替換方案中，有機前驅(qū)體進行預(yù)處理的熱交聯(lián)固化的溫度還可以為230℃、240℃、250℃、270℃、280℃及230-280℃中的任意值，保溫時間還可以為20min、25min、35min、40min、45min、50min及20-50min中的任意值。

在上述的一種B摻雜SiC納米線的制備實施例及其替換方案中，有機前驅(qū)體與B₂O₃粉末的質(zhì)量比還可以為3:1、4:1、6:1及3-6:1中的任意比值。

在上述的一種B摻雜SiC納米線的制備實施例及其替換方案中，混合均勻后的物料及柔性襯底一起至于氣氛燒結(jié)爐中，可以先以30℃/min從室溫加熱至1320℃，再以22℃/min加熱至1450℃，然后以4℃/min冷卻至1360℃，接著3-5℃/min冷卻至1120℃，最后隨爐冷卻至室溫；也可以為先以32℃/min從室溫加熱至1340℃，再以24℃/min加熱至1420℃，然后以3℃/min冷卻至1340℃，接著5℃/min冷卻至1110℃，最后隨爐冷卻至室溫；也可以為先以28℃/min從室溫加熱至1350℃，再以25℃/min加熱至1480℃，然后以5℃/min冷卻至1380℃，接著5℃/min冷卻至1150℃，最后隨爐冷卻至室溫；也可以為先以35℃/min從室溫加熱至1280℃，再以20℃/min加熱至1380℃，然后以3℃/min冷卻至1330℃，接著3℃/min冷卻至1080℃，最后隨爐冷卻至室溫；也可以為先以34℃/min從室溫加熱至1330℃，再以23℃/min加熱至1420℃，然后以5℃/min冷卻至1350℃，接著3℃/min冷卻至1130℃，最后隨爐冷卻至室溫；還可以先以28-35℃/min中任一速率從室溫加熱至1280-1350℃中的任一溫度，再以20-25℃/min的任一速率加熱至1380-1480℃中的任一溫度，然后以3-5℃/min中任一速率冷卻至1330-1380℃中的任一溫度，接著3-5℃/min中任一速率冷卻至1080-1150℃中的任一溫度，最后隨爐冷卻至室溫。

本處實施例對本發(fā)明要求保護的技術(shù)范圍中點值未窮盡之處以及在實施例技術(shù)方案中對單個或者多個技術(shù)特征的同等替換所形成的新的技術(shù)方案，同樣都在本發(fā)明要求保護的范圍內(nèi)，并且本發(fā)明方案所有涉及的參數(shù)間如未特別說明，則相互之間不存在不可替換的唯一性組合。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。

盡管對本發(fā)明已作出了詳細的說明并引證了一些具體實施例，但是對本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來說，只要不離開本發(fā)明的精神和范圍可作各種變化或修正是顯然的。