SiC納米陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無機半導(dǎo)體材料，特別是SiC納米陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代半導(dǎo)體的核心材料之一，與元素半導(dǎo)體材料(Si)和其他化合物半導(dǎo)體材料GaAs、GaP和InP相比，它具有很多優(yōu)點。碳化硅不僅具有較大的帶隙寬度(3C、4H、6H型碳化硅在室溫下的帶隙寬度分別為2.23,3.22,2.86eV)，而且具有高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子漂移速度等特點，在高溫、高頻，大功率，光電子和抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。用碳化硅取代硅，制備光電器件和集成電路，可為軍用電子系統(tǒng)和武器裝備性能的提高，以及抗惡劣環(huán)境的電子設(shè)備提供新型器件。此外，SiC納米結(jié)構(gòu)具有很高的硬度、韌性、耐磨性、耐高溫性、低的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良特性，在制備高性能復(fù)合材料、高強度小尺寸復(fù)合材料構(gòu)件、表面納米增強復(fù)合材料以及構(gòu)筑納米光電器件等方面具有非常誘人的應(yīng)用前景。SiC納米結(jié)構(gòu)的物理特性賦予了其優(yōu)異的場發(fā)射性能，被認為是場發(fā)射冷陰極材料的優(yōu)異候選材料之一。
[0003]對于全色顯示來說，藍光是必不可少的成分。雖然3C_SiC具有較大的帶隙寬度(2.23eV)，但其發(fā)光區(qū)域仍在藍光范圍內(nèi)，并且碳化硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，體材料的碳化硅在室溫下的發(fā)光非常微弱。根據(jù)量子限制相關(guān)理論，小尺寸效應(yīng)可導(dǎo)致激發(fā)和復(fù)合效率大大增強，所以當(dāng)碳化硅的顆粒尺寸減小到納米量級時，發(fā)光效率將得到極大提高。同時當(dāng)尺寸減小到體材料的波爾激子半徑以下時，納米顆粒的帶隙將會加寬，從而其發(fā)光將隨顆粒尺寸減小而發(fā)生藍移。所以制備小尺寸的碳化硅顆粒，可以實現(xiàn)其強藍光發(fā)射，這將對微電子和光電子領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。此外，碳化硅具有相當(dāng)好的生物兼容性，特別是與血液的兼容性，并且SiC密度較小，化學(xué)穩(wěn)定較好，所以碳化硅納米顆粒有望在生物醫(yī)學(xué)、電化學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如可以用作發(fā)光生物標(biāo)簽、光解水的表面催化劑。近年來研究表明，3C-SiC納米顆粒對腫瘤細胞具有選擇性的生物毒性，3C-SiC納米顆?；∧さ目烧{(diào)致發(fā)光能使其成為下一次光電器件的候選材料。
[0004]納米陣列與雜亂無序的場發(fā)射冷陰極材料相比，高定向的納米陣列結(jié)構(gòu)更有利于獲得更高的電流密度和更均勻更穩(wěn)定的發(fā)射電流。納米陣列的密度是影響場發(fā)射應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。一般而言，納米陣列結(jié)構(gòu)的密度越高，其電子發(fā)射點就越多，因而其場發(fā)射電流就越高。然而，如果納米陣列結(jié)構(gòu)的密度過高，則易產(chǎn)生場電子發(fā)射屏蔽效應(yīng)，反而會降低其電子發(fā)射效果，最終導(dǎo)致場發(fā)射性能減弱。因而，為了獲得優(yōu)異的場發(fā)射性能，對納米陣列密度的調(diào)控顯得尤為重要，是其真正器件化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)之一。
[0005]目前已經(jīng)有很多SiC納米線的制備方法，如碳納米管模板法、化學(xué)氣相沉積法、碳熱還原法、溶膠凝膠法、陽極氧化法(如中國專利104118843A，具有操作復(fù)雜，試劑污染大等問題)等。中國專利文獻CN1834309A公開了一種利用碳納米管模板法合成兩種不同形貌的碳化硅納米線的方法，該方法將Si粉與多壁碳納米管作為原材料置于氧化鋁坩禍內(nèi)，將坩禍置于氬氣氣氛下的真空高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)，升溫至1410?1600°C，恒溫3?9h，其以碳納米管作為碳化硅納米線和呈葫蘆狀的納米碳化硅的生長模板，即得到直徑分布較均勻的、直的并排無層錯缺陷的碳化娃納米線和呈葫蘆狀的納米碳化娃。上述技術(shù)中，主要通過定向的碳納米管作為模板，使得Si粉在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沿碳納米管定向合成SiC納米線。碳納米管模板法合成納米線是非常重要而且有效的一種方法。一方面，它在反應(yīng)中提供所需的碳源，消耗自身，另一方面，碳納米管提供了形核場所，同時又限制了生成物的生長方向。然而碳納米管價格比較昂貴，所以導(dǎo)致碳納米管模板法的成本很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為解決上述問題，本發(fā)明公開的SiC納米陣列及其制備方法，工藝簡單，安全性高，可控性好，生產(chǎn)方便，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性好，靈敏度高。
[0007]本發(fā)明公開的SiC納米陣列，包括基體和形成于基體表面的納米陣列，
[0008]納米陣列為SiC納米線排列，其中SiC納米線(納米線為下粗上細的針狀結(jié)構(gòu)或者線狀結(jié)構(gòu))中SiC晶型為C型或者H型或者R型；
[0009]SiC納米陣列中納米線的陣列密度為(5.0-6.0) X 17根/cm2。
[0010]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，SiC納米陣列中SiC納米線的陣列密度為(5.2-5.7) X 17根/cm2。
[0011]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，基體為SiC基體，其中SiC基體的晶格結(jié)構(gòu)包括 3C-SiC、2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC 中的任一。
[0012]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，SiC納米線中SiC晶型為C型時SiC為3C-SiC ;SiC納米線中SiC晶型為H型時SiC為2H-SiC、4H-SiC、6H-SiC中任一 ；SiC納米線中SiC晶型為R型時SiC為15R-SiC。
[0013]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，納米陣列為SiC納米線取向排列。
[0014]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，納米陣列為SiC納米線取向均勻排列。
[0015]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，SiC納米線的長度范圍為2_15微米。
[0016]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的一種改進，SiC納米線的平均直徑(以納米線距基體表面1/3處直徑計)范圍為0.1-0.3微米。
[0017]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法，包括如下步驟，
[0018]I)、前軀體準(zhǔn)備；基體準(zhǔn)備；
[0019]2)、催化劑沉積:在準(zhǔn)備好的基體表面沉積催化劑層；
[0020]3)、將沉積有催化劑層的基體以及前軀體共同于燒結(jié)氛圍中燒結(jié)，前軀體熱解在基體表面形成SiC納米陣列。
[0021]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟I)中前軀體為含有Si和C元素的聚合物。
[0022]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟I)中前軀體準(zhǔn)備為將前軀體經(jīng)過燒結(jié)后粉碎得到，其中燒結(jié)工藝為將前軀體在保護氛圍下于200-300°C熱解保溫20_60mino
[0023]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟I)中基體準(zhǔn)備為將基體經(jīng)至少一次清洗去除基體表面雜質(zhì)。
[0024]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟I)中基體準(zhǔn)備中的基體清洗為將基體置于酮類溶劑或水(去離子水或者雙蒸水)或醇類溶劑中超聲清洗，超聲清洗時間5-20min。進一步地優(yōu)選，步驟I)中基體準(zhǔn)備中的基體清洗為將基體依次置于酮類溶劑(酮類溶劑為丙酮、丁酮，優(yōu)選為丙酮)、水(水優(yōu)選為去離子水或者雙蒸水)和醇類溶劑(醇類溶劑可以為乙醇、丙醇、丙二醇、丙三醇，優(yōu)選為乙醇)中超聲清洗，超聲清洗時間5_20mino
[0025]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟2)中催化劑層為金屬層。進一步地優(yōu)選，步驟2)中催化劑層為金層或者鐵層或者鎳層或者鑭層。金屬層厚度40-100nm，優(yōu)選為 50_90nm。
[0026]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟3)中燒結(jié)溫度為1350-1750°C，燒結(jié)時間為 10-120min。
[0027]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟3)中燒結(jié)為在保護氣氛下進行。
[0028]本發(fā)明公開的SiC納米陣列的制備方法的一種改進，步驟3)中保護氛圍為N2/Ar混合氣氛(N2占混合氣總體積0-100% )。
[0029]本發(fā)明中實現(xiàn)了 SiC納米陣列的制備，具有操作工藝簡單可控，實用性強，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，同時SiC納米陣列品質(zhì)穩(wěn)定，成本低廉，