燃烧合成3C--SiC微纳粉体及其氧化与光特性
碳化硅(SiC)具有优良的高温力学性能、高的导热性和电子迁移率而被认为是制备高温结构陶瓷和半导体器件的理想材料.纳米SiC粉体由于在全波长都具有高的红外辐射率和良好的光学特性,在红外辐射节能涂料和生物荧光探针方面有广阔的应用前景.为促进纳米SiC在以上领域的应用,有三个问题需要解决:一是服役时纳米SiC氧化会导致其红外辐射率快速衰减;二是SiC的间接带隙特征制约了其发光效率的提高;三是如何技术解决纳米SiC粉体的低成本制备.针对以上问题,本文研究了燃烧合成制备纳米3C-SiC和Al掺杂3C-SiC粉体的工艺,并重点研究了纳米SiC粉体的氧化动力学特征,研究了SiC纳米晶和Al掺杂SiC微晶的光学特性,以期更好推动燃烧合成制备纳米SiC的粉体实际应用.具体研究工作如下:
⑴研究了燃烧合成3C-SiC纳米粉体及其氧化动力学特性.采用粉体氧化动力学模型研究了其变温与等温氧化特征,获得了其氧化过程的解析表达式以及表观活化能:290和280KJ/mol,试验数据与理论模型吻合表明采用该动力学模型具有理论合理性;此外基于得到的活化能数据对该粉体在不同温度下的等温氧化过程进行理论预测.
⑵研究了燃烧合成制备Al掺杂3C-SiC纳米粉体的工艺及产物的氧化动力学,采用燃烧合成工艺制备出不同Al掺杂量的3C-SiC纳米粉体,粒径在50~100nm;在燃烧合成反应过程中,Al掺杂对3C-SiC晶粒生长有阻碍作用,当Al掺杂量大于>5%时,会有少量6H-SiC和Al4SiC4生成;非等温氧化试验显示,5%Al掺杂3C-SiC纳米粉体的氧化增重比纯3C-SiC粉体减少50%,氧化活化能提高4%,Al掺杂对提高3C-SiC纳米粉体的抗氧化性能有重要作用.
⑶在燃烧合成制备纳米SiC粉体的基础上,采用湿法化学腐蚀制备出平均粒径大小为2.56纳米的3C-SiC纳米晶.研究发现:水分子在SiC表面极性硅端基发生解聚,会生成Si-OH表面端基,使所制备的纳米晶具有良好的水溶性;该溶液的光吸收动力学表现出直接带隙半导体特性;当激发波长从320nm增大到420nm时,该溶液荧光发射波长从400nm增大到480nm,显示出发射波长可调特性;采用这种SiC纳米晶胶体悬浮液培养的拟南芥种子根,在荧光显微镜下表现出强的绿色荧光,表明其在生物荧光成像方面具有应用前景.
⑷采用热爆燃烧合成工艺制备粒径范围在0.5~1μm并具有明显刻面形貌特征的Al掺杂SiC微晶.在低Al掺杂量时(<0.25at%),其物相组成为3C-SiC和微量的4H-SiC,当高Al掺杂量时(>0.75at%),除上述物相外,还有Al4SiC4生成;合成SiC微晶的明显刻面形貌特征表明,在热爆反应过程中,溶解析出为其主要生长机制;TEM与XPS结果表明,Al原子以Al3+的形态代替硅原子的位置进入SiC晶格内部,在微晶基体上形成大量的堆垛层错,发生层错的晶面与<111>生长方向垂直,并且在这种层错结构中存在类似4H-SiC的排列顺序;Al掺杂SiC微晶在3.5 eV附近存在强的光致发光峰,主要由于3C-SiC基体上的4H-SiC纳米夹层自发极化而引起的量子约束效应所致;所制备的Al掺杂SiC微晶在制备蓝紫光固体发光器件方面有应用前景.
- 作者：
- 李永
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 物理化学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2012年
- 导师姓名：
- 李江涛
- 关键词：
- 纳米材料；碳化硅分体；燃烧合成；量子束效应
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