毕业设计开题报告汇总

毕业设计(论文)开题报告

题目：陶瓷前驱体热解制备SiC纳米线工艺规律及微观结构表征

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1.毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）

1.1选题背景

SiC 具有宽带隙、高临界击穿电压、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点, 可应用于高温、高频、大功率、光电子和抗辐射器件。近年来的研究表明, SiC 还具有较好的光学及电学特性, 可应用于构造纳米器件方面。SiC 纳米线具有很好的场发射、强烈的蓝光PL发射等电学性能, 在高温、高能及高频纳米电子器件方面具有潜在的应用前景。根据金属催化气液固生长机理, 不同形态的一维纳米材料均可制备。以不同的碳源及硅源为原料, 在金属催化作用下通过CVD、热蒸发等方法可实现SiC 纳米线的制备。虽然金属催化方法易制得SiC 纳米线, 但因所得样品需经一定的后处理, 故也有人研究不采用金属催化剂而直接制备SiC 纳米线。根据目前文献,SiC 纳米线所用催化剂通常为Fe、Ni、Al 及Na 等。SiC纳米线除了具有SiC块体材料热膨胀系数低、热传导率高、化学稳定性好、机械性能高等优良特性外，由于尺寸效应SiCN纳米线还具有一些一维纳米材料的特殊性能。因此，SiC纳米线的制备吸引了全世界相关机构对其开展大量研究。目前，SiC纳米线的合成方法有很多，主要包括碳热还原法、模板生长法、有机前驱体热解法、电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法等。近年来受到了SiC一维纳米材料研究领域的高度关注。本课题拟以聚碳硅烷（PCS）为陶瓷前驱体，在高温下热解制备SiC纳米线，探索不同工艺参数对所制备的SiC纳米线微观结构的影响规律，揭示其生长机理。

1.2研究意义

自从发现碳纳米管以来，一维纳米结构材料因其独特的物理结构和性能引起了科技工作者的广泛关注。人们采用不同方法制备了各种材料的纳米线和纳米管。其中碳化硅纳米线是碳化硅晶体极端各向异性生长的产物，结晶相单一，结构缺陷少，不仅具有碳化硅本体材料所固有的性质如耐高温，抗氧化，耐腐蚀，耐辐照，高强度，高硬度等性能，还具有优异的的场发射，特殊的光致发光，高效的光催化，超高的力学强度等奇特性能，在高温、氧化、大功率、强辐射等苛刻环境下的平面显示，光电子，纳米器件，集成电路，光催化，超高强度复合材科等领域有着非常广阔的应用前景。SiC 由于具有优越的力学、热学、电学性能，以及高的物理与化学稳定性、热导率、临界击穿电场、电子饱和迁移率等特性，在高密度集成电子器件方面具有巨大的应用潜力． SiC纳米线的制备吸引了全世界相关机构对其开展大量研究。目前，SiC纳米线的合成方法有很多，主要包括碳热还原法、模板生长法、有机前驱体热解法、电弧放电法、激光烧蚀法和CVD法等。然而有机前驱体热解法由于其制备的纳米线形貌一致性高、杂质含量少、制备方法简便且产量较大，因而研究意义重大。

1.3 国内外研究现状

以Fe 为催化剂

Feng 等[ 15] 以Ar 作保护气, 在1 700 下将SiC 及Fe 的混合粉末热蒸发1 h, 得到了直径20~50 nm、长1~ 2 m 的针状SiC 纳米线。PL 发射光谱显示该产品在450 nm ( 2. 76 eV) 处有一PL 发射峰, 最大半峰宽( FWH M ) 约60 nm。与块体SiC 相比, 该SiC 纳米线的PL 光谱出现了蓝移, 故具有强烈的蓝光发射能力, 在蓝光场发射显示屏尤其是高温、高辐射环境显示器件方面具有很大的应用潜力。Liang 等[ 16] 以H 2/ Ar 混合气体为保护气, 于 1 500 下热处理多孔SiO 2干凝胶与Fe 的混合粉末 2 h,得到了直径20~ 50 nm、长几十微米的SiC 纳米线,其生长头部存在一些球状Fe 纳米颗粒, 表明Fe 催化了纳米线的生长。T EM 照片表明该SiC 纳米线为一种核壳结构, 内部为晶体SiC, 外层为硅氧化物, 沿[ 111] 方向生长。室温PL 光谱表明, 该纳米线在340 nm 和440 nm 处有两个PL 波峰, 前峰可能由硅氧化物外层中的氧差异引起

而后峰是量子限制效应及纳米线中缺陷复合作用的结果。

此外, Wang 等[ 17] 以硝酸铁为催化剂, 通过高温碳热还原含碳、硅的干凝胶( 由四乙氧基硅烷和联苯形成) , 制备出了一种具有周期性孪晶结构的SiC

纳米线, 直径50~ 300 nm, 长数百微米。此纳米线的生长符合气液固机理, 截面为六边形, 周期与直径成线性关系。研究发现, 该纳米线由等高斜六棱柱堆积而成。经计算机模拟, 其六棱柱的侧面均为{ 111}晶面, 相对的侧面具有不同化学组成, 或全碳或全硅: 如一侧面全由C 原子组成, 则其相对面全由Si 原子组成。这样两表面显然具有不同的表面能, 从而在纳米线中产生应力, 而且随着六棱柱的生长, 应力将线性增加。由于孪晶具有较低的能量, 纳米线每生长到一定长度就产生一个孪晶, 使相对侧面的极性发生反转, 从而抵消上述这种应力, 最终形成具有周期性孪晶结构的SiC 纳米线。

以N i 为催化剂

以Ni 为催化剂也可有效制备出SiC 纳米线[ 18, 19] 。Kang 等[ 18] 以CH 2 CH SiC( CH 3) Cl2 为前驱体, 采用CVD 法在涂有40~ 50 nm 厚Ni 膜的Si衬底上沉积0. 5~ 3 h, 获得了直径30~ 50 nm、长数微米的SiC 纳米线, 沉积温度为800~ 1 000 。该SiC 纳米线大量随机地垂直生长于衬底上, 直径及长度由温度和催化剂决定。随着沉积温度的降低,线直径减小到30 nm, 长度也从15 m 减小到5m。单根SiC 纳米线的SAED 结果表明, 该纳米线沿[ 111] 方向生长。这是一种富碳SiC 纳米线, 在纳米器件及场发射器件方面具有很好的应用前景。Choi 等[ 19] 也以Ni 为催化剂, 但采用磁控溅射法在硅衬底上制备了定向SiC 纳米线, 直径达几十至数百纳米, 与采用氧化铝模板得到的定向纳米材料[ 20]

以Al、Na 等金属为催化剂

以Al 为催化剂所得SiC 纳米线由SiC 内核及氧化物外层两部分组成,