一種P摻雜SiC納米顆粒薄膜及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種SiC納米顆粒薄膜，具體涉及一種P摻雜SiC納米顆粒薄膜及其應(yīng)用，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC是繼第一代(Si)和第二代(GaAs)半導(dǎo)體材料之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。與其傳統(tǒng)體材料相比，低維SiC納米結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，比如高的禁帶寬度、高的熱導(dǎo)率和電子飽和迀移率、小的介電常數(shù)和較好的機(jī)械性能等特性?；谏鲜霆?dú)特性能，SiC低維納米結(jié)構(gòu)特別適用于苛刻工作環(huán)境如高溫、高頻、大功率、光電子和抗輻射器件，在制備高性能復(fù)合材料、高強(qiáng)度小尺寸復(fù)合材料構(gòu)件、表面納米增強(qiáng)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，近十年來頗受關(guān)注。
[0003]通過對半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行原子摻雜已經(jīng)被證實(shí)是一種改善其性能的有效途徑。摻雜后，半導(dǎo)體納米材料的固有屬性如光學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)等性能有顯著變化，對其功能化應(yīng)用具有重要意義。目前，SiC低維納米結(jié)構(gòu)原子摻雜的研究也已取得一定進(jìn)展，Al、N、B等不同原子摻雜的SiC低維納米結(jié)構(gòu)已有報道。研究表明，經(jīng)Al和N原子摻雜后，SiC納米線場發(fā)射陰極的開啟電場顯著降低，B摻雜SiC納米線陰極的電子發(fā)射穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)，而Al摻雜的SiC納米線的光致發(fā)光譜發(fā)生一定程度的藍(lán)移。這些研究證實(shí)，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，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0004]但是，目前原子摻雜SiC納米結(jié)構(gòu)基本局限于一維或二維結(jié)構(gòu)，關(guān)于納米顆粒的報道不多，而在實(shí)現(xiàn)SiC納米顆粒薄膜原子摻雜及其尺寸的有效調(diào)控方面的研究更是存在很大不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)存在上述問題，提出了一種均勻地分布在底襯中的P摻雜SiC納米顆粒薄膜。
[0006]本發(fā)明的目的可通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):一種P摻雜SiC納米顆粒薄膜，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜的相成份為3C-SiC，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜中P摻雜量為0.25-0.30at.%，所述納米顆粒薄膜通過有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4.H2O粉末混合后在氣氛燒結(jié)爐中高溫?zé)峤舛伞?br>[0007]在上述的P摻雜SiC納米顆粒薄膜中，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜的表面粗糙，且粗細(xì)不一致，P摻雜SiC納米顆粒均勻地分布在底襯中。
[0008]作為優(yōu)選，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜中P摻雜量為0.27at.%。
[0009]在上述的P摻雜SiC納米顆粒薄膜中，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜的直徑為100_400nmo
[0010]作為優(yōu)選，所述P摻雜SiC納米顆粒薄膜的直徑為150-350nm。
[0011]在上述的P摻雜SiC納米顆粒薄膜中，所述有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4.H2O粉末的質(zhì)量比為5:0.8-2ο有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4粉末的質(zhì)量比不同，合成的SiC納米顆粒中的P摻雜濃度也不同，F(xiàn)ePO4.H2O的含量越大，P摻雜濃度越高。
[0012]作為優(yōu)選，所述有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4.H2O粉末的質(zhì)量比為5:1.0-1.5。
[0013]作為優(yōu)選，所述熱解的溫度為1300-1500°C。
[0014]在上述的P摻雜SiC納米顆粒薄膜中，所述納米顆粒薄膜通過如下制備方法制備而成:
[0015]有機(jī)前驅(qū)體熱交聯(lián)固化和粉碎，得有機(jī)前驅(qū)體粉末；
[0016]將有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4.H2O粉末混合均勻后置于石墨坩禍底部，將碳布襯底放置在坩禍頂部；
[0017]將石墨坩禍及碳布襯底一起置于氣氛燒結(jié)爐中，先以28-32°C /min的速率從室溫升溫至1300-1400°C，再以20-25°C /min的速率升溫至1400_1500°C進(jìn)行熱解；
[0018]熱解后氣氛燒結(jié)爐以12-75°C /min的速率先冷卻至1080_1150°C，再隨爐冷卻至室溫，即可得到以碳布為襯底的P摻雜SiC納米顆粒薄膜。
[0019]本發(fā)明先將有機(jī)前驅(qū)體熱交聯(lián)固化和粉碎再與摻雜劑FePO4 -H2O粉末混合置于石墨坩禍中，以碳布為襯底，制備P摻雜SiC納米顆粒。首先，本發(fā)明可通過控制有機(jī)前驅(qū)體粉末和FePO4.H2O粉末的混合比例，實(shí)現(xiàn)對SiC納米顆粒P摻雜濃度的調(diào)控。其次，Al2O3坩禍有可能使SiC納米結(jié)構(gòu)中摻入Al雜質(zhì)原子，但本發(fā)明將混合粉末置于石墨坩禍不會引入其他雜質(zhì)原子。本發(fā)明通過控制冷卻速率、熱解溫度、升溫速率，尤其是通過控制冷卻速率、熱解溫度來控制P摻雜SiC納米顆粒的大小，冷卻速率越小，制備的顆粒越大，相反冷卻速率越大，制備的顆粒越??；升溫速率過快的話，會使加熱爐溫度升至熱解溫度后不能馬上停止，而是直接超過熱解溫度，容易導(dǎo)致熱解過高。另外，本發(fā)明采用分段升溫，在前一升溫階段中，升溫速率可以快一點(diǎn)，進(jìn)而縮短升溫過來，但后一升溫階段中的升溫速率得緩慢進(jìn)行，緩慢地達(dá)到熱解的溫度。在本發(fā)明中，氣氛燒結(jié)爐冷卻至1080-1150°C，可以更好地控制冷卻速度，從而實(shí)現(xiàn)SiC納米顆粒的有效生長，在低于1080-1150°C下納米顆粒不再生長，因此在低于1080-1150°C后即可隨爐冷卻至室溫，也不用再考慮冷卻速率。本發(fā)明通過該方法不僅可以制備出P摻雜SiC納米顆粒薄膜，并能夠?qū){米顆粒的尺寸實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。
[0020]在上述P摻雜SiC納米顆粒的制備方法中，所述熱交聯(lián)固化在隊(duì)氣氛下于250-280 °C 保溫 20-50min。
[0021]在上述P摻雜SiC納米顆粒的制備方法中，所述的有機(jī)前驅(qū)體為聚硅氮烷，也可以使用其他含有Si和C元素的有機(jī)前驅(qū)體，比如C粉和Si粉的混合粉末。
[0022]作為優(yōu)選，熱解的具體步驟為:將石墨坩禍及碳布襯底一起置于石墨電阻氣氛燒結(jié)爐中，氣氛爐先抽真空至14Pa,再充入高純Ar氣(純度為99.99% )，直至壓力為一個大氣壓(0.1lMpa)，然后先以28-32°C /min的速率從室溫快速升溫至1300-1400°C，再以20-250C /min的速率升溫至1400_1500°C。本發(fā)明的熱解不需要經(jīng)過保溫，快速升溫至一定溫度進(jìn)行熱解，就可以快速冷卻。
[0023]—種P摻雜SiC納米顆粒薄膜在電子學(xué)中的應(yīng)用，尤其是在場發(fā)射陰極材料中的應(yīng)用，可以為在顯示器和小型X射線管中的應(yīng)用。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明SiC納米顆粒薄膜的表面具有大量尖銳的棱邊和棱角，通過簡單可控，具有很好重復(fù)性的方法實(shí)現(xiàn)了在碳纖維布襯底上制備SiC納米顆粒薄膜，實(shí)現(xiàn)了對SiC納米顆粒薄膜的P摻雜，并實(shí)現(xiàn)了對P摻雜SiC納米顆粒尺寸的有效調(diào)控。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的X射線衍射(XRD)圖。
[0026]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的低倍掃描電鏡(SEM)圖(5μπι)。
[0027]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的低倍掃描電鏡(SEM)圖(Ιμπι)。
[0028]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的高倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0029]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的高倍透射電鏡(HRTEM)圖。
[0030]圖6為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的生長在碳布襯底表面的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的選區(qū)電子衍射(SAED)圖。
[0031]圖7為本發(fā)明實(shí)施例1所制得的P摻雜SiC納米顆粒薄膜中P元素的面掃圖。
[0032]圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中所制得的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的掃描電鏡(SEM)圖。
[0033]圖9為本發(fā)明實(shí)施例3中制得的P摻雜SiC納米顆粒薄膜的掃描電鏡(SEM)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例1
[0036]選取聚硅氮烷，在N2氣氛保護(hù)下于260°C保溫30min進(jìn)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。