一種Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低維半導(dǎo)體材料的制備方法，特別是一種Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1991年，日本的lijima教授發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，半導(dǎo)體低維納米材料就成為了納米科技界的研究熱點和重點。隨著研究的深入和技術(shù)的進步，有望為新穎高效的光電器件研發(fā)獲得重大突破提供契機。場發(fā)射是低維納米材料的固有特性之一。研究表明，納米結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異場發(fā)射性能，在顯示和真空電子等光電器件領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用前景。然而，基于低維納米結(jié)構(gòu)的場發(fā)射陰極材料得以真正應(yīng)用還有賴于其性能的進一步改善和提高，比如提高電子發(fā)射特性，獲得更低的開啟電場等。
[0003]SiC是一種重要的第三代半導(dǎo)體材料，其低維納米結(jié)構(gòu)由于具有高的禁帶寬度、高熱導(dǎo)率和電子飽和迀移率、高電子漂移速率、小的介電常數(shù)、優(yōu)異的物化性能等優(yōu)越特性，在場發(fā)射陰極材料領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，近十年來頗受關(guān)注。1999年，Wong等人首次報道了 SiC納米線的電子發(fā)射特性。隨后，國內(nèi)外大量的工作報道了不同形貌的SiC低維納米結(jié)構(gòu)和不同元素摻雜的SiC納米線的場發(fā)射特性，如SiC納米線的開啟電場為
3.33-10.1V/ μ m，SiC納米帶的開啟電場為3.2V/ μ m, SiC/Si納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的開啟電場為
2.6V/ μ m, SiC/S1jfi米電纜的開啟電場為3.3-4.5V/ μ m,陣列化SiC納米線的開啟電場為0.7-1.5V/ μ m, N摻雜的SiC納米線的開啟電場為1.90V/ym, B摻雜的SiC納米線的開啟電場為1.35V/ μπι，Α1摻雜的SiC納米針的開啟電場為1.0V/ymo
[0004]然而，已有研究工作主要集中在對SiC形貌的控制和對SiC納米線的摻雜改性的發(fā)射陰極材料，而通過表面修飾低維的SiC納米結(jié)構(gòu)，提高電子發(fā)射特性，大幅度降低SiC納米結(jié)構(gòu)的開啟電場，鮮見文獻報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問題，本發(fā)明公開了一種Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)Au納米顆粒修飾SiC納米線及其應(yīng)用為場發(fā)射陰極的制備。與未經(jīng)Au納米顆粒修飾的SiC場發(fā)射陰極材料相比，其開啟電場降低近1倍，表明Au納米顆粒修飾，能有效提高SiC納米線的電子發(fā)射能力。所制備的Au納米顆粒修飾SiC納米線作為場發(fā)射陰極具有較低的開啟電場，有望應(yīng)用于場發(fā)射顯示器、小型化X射線管等領(lǐng)域。
[0006]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法，包括如下步驟:
[0007]a、前置處理:前軀體預(yù)處理、基體預(yù)處理；
[0008]b、納米線制備:預(yù)處理后的前軀體和預(yù)處理后的基體共同置于燒結(jié)氛圍下，在保護氣氛下，前軀體熱解，再降溫在預(yù)處理后的基體上生長納米線；
[0009]c、納米線修飾:在納米線上形成Au納米顆粒，Au納米顆粒的尺寸為l-10nm。
[0010]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟c中納米線的直徑為0.05-1微米。
[0011]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟c中納米線上Au納米顆粒為在常溫高真空條件下真空濺射得到的。
[0012]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟c中高真空條件為10 4-10 6Pa。
[0013]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟b中前軀體的熱解為前軀體經(jīng)勻速升溫至熱解溫度充分熱解，熱解溫度為1300-1550°C，升溫速率20-40。。/min ο
[0014]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟b中熱解氛圍為包括氮氣、氬氣中至少一種的氣體。
[0015]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟b中熱解氛圍為氮氣、氬氣混合氣，其中混合氣中N2含量為3-10 (v/v) %。
[0016]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，步驟b中降溫為熱解后降溫(降溫速度為10-20°C /min)至生長溫度1050-1150°C。
[0017]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，前軀體為含有Si和C元素的有機前驅(qū)體。
[0018]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種改進，基體的預(yù)處理為基體在濃度為0.01-0.lmol/L的Co (N03) 2溶液中浸漬1_10分鐘。
[0019]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法的一種具體的實施方案為，其中基
[0020]體采用碳纖維布，前軀體采用聚硅氮烷:
[0021]1)有機前驅(qū)體熱交聯(lián)固化(固化溫度為250-270°C ;固化時間30_60分鐘)和粉碎；(前軀體準備時，固化后的原料經(jīng)粉碎后的粉末的粒徑尺寸為0.3-5 μ m。通過控制原料粉末的尺寸，有利于對納米線在燒結(jié)過程中生長時的晶型穩(wěn)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(jié)構(gòu)極易出現(xiàn)位錯等缺陷，使得單晶形態(tài)的一維材料難以實現(xiàn)，同時原子的堆疊周期同樣會被延長，無論是在實現(xiàn)C型、R型、Η型結(jié)構(gòu)時均難以得到周期較短的晶體結(jié)構(gòu)，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(dǎo)致燒結(jié)熱解效率低，受熱不均，甚至出現(xiàn)原料來不及熱解而成為材料中雜質(zhì)的現(xiàn)象，對燒結(jié)熱解過程的控制要求稍顯嚴格)；
[0022]2)將碳纖維布浸置在Co (N03) 2溶液中2分鐘(基體預(yù)處理);
[0023]3)將粉碎得到的有機前驅(qū)體粉末置于氧化鋁坩禍中，并將經(jīng)過Co (N03) 2溶液處理的碳纖維布襯底放置在坩禍頂部；
[0024]4)將氧化鋁坩禍及襯底一起置于氣氛燒結(jié)爐中，在氮氬混合氣氛保護下加熱到特定的熱解溫度；
[0025]5)按一定的冷卻速率將氣氛爐溫度降至1100°C ；
[0026]6)隨爐冷卻至室溫，在碳纖維布上實現(xiàn)SiC納米線結(jié)構(gòu)的制備。
[0027]7)將在碳纖維布上制備好的SiC納米線在室溫、高真空下用濺射設(shè)備噴Au，實現(xiàn)了 Au納米顆粒修飾SiC納米線的場發(fā)射陰極制備。
[0028]8)將噴Au后的場發(fā)射陰極裝入測試系統(tǒng)中，進行場發(fā)射性能檢測和分析。
[0029]所述步驟(1)中，使用的原料為聚硅氮烷，亦可使用其他含Si和C元素的有機前驅(qū)體(如聚娃氧燒等)。
[0030]所述步驟(2)中，采用碳纖維布作為襯底，Co(N03)2作催化劑，Co(N03)2濃度為0.05mol/L,亦可采用其他濃度的Co (N03)2溶液。
[0031]所述步驟(4)中，所采用的燒結(jié)設(shè)備為石墨電阻氣氛燒結(jié)爐，加熱速率為30°C /min，熱解溫度為1450°C，亦可采用其他的加熱速率和熱解溫度，熱解氣氛為N2:Ar = 5:95的混合氣(體積比)，各組分的純度為99.99%。
[0032]所述步驟(5)中，所采用的冷卻速率為14°C /min。
[0033]所述步驟(7)中，噴Au時間為15s。
[0034]所述步驟⑶中，場發(fā)射性能測試中，陰極為Au納米顆粒修飾的SiC納米線，陽極為不銹鋼，場發(fā)射測試儀器的真空度為3 X 10 7Pa,陰陽極之間距離設(shè)置為700 μ m，電壓-電流曲線由Keithley 248高壓電源測定，場發(fā)射測試在室溫下進行。
[0035]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極，包括基底以及分布于基底上的電極，電極中至少部分的材料為納米線，所述納米線為在納米線上形成有Au納米顆粒的，所述Au納米顆粒的尺寸為l-10nm。
[0036]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，納米線的直徑(最大徑)為0.05-1微米。
[0037]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，納米線上Au納米顆粒為在常溫高真空條件下真空濺射得到的。
[0038]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，高真空條件為10 4-10 6Pa。
[0039]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，納米線包括柱狀的本體和形成于本體端部的頭部，其中頭部包含元素鈷。
[0040]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，本體為包括以結(jié)晶形式存在的SiC晶體。
[0041]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，頭部為含有碳元素和硅元素的鈷合金。
[0042]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，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(jié)構(gòu)或者瓣狀結(jié)構(gòu))。
[0043]本發(fā)明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發(fā)射陰極的一種改進，本體表