一種具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種SiC納米線，具體涉及一種具有長高長徑比的P摻雜SiC納米線及其制備方法，屬于納米材料技術領域。
【背景技術】
[0002]20世紀90年代以來，以新一代量子器件和納米結構器件為背景的納米結構設計和合成成為納米材料研究的新熱點，特別是納米結構組裝體系的研究更是吸引了國內外的科研工作者，將低微納米結構體系應用到更廣闊的領域。
[0003]SiC是繼第一代(Si)和第二代(GaAs)半導體材料之后發展起來的第三代半導體材料。與其傳統體材料相比，低維SiC納米結構高的禁帶寬度、高的熱導率和電子飽和迀移率、小的介電常數和較好的機械性能等優異特性，在微納米光電器件等領域有著廣泛的應用前景，近十年來頗受關注。
[0004]致力于拓寬SiC低維納米結構的應用，人們在SiC低維納米結構的制備工藝及形貌的精細調控方面做了大量工作，多種新穎的SiC納米結構如具有竹節狀的納米線、端部尖銳且干凈的納米針、表面經納米粒子修飾的納米管、納米異質結結構和陣列化一維納米結構等均有文獻報道。同時，為推動SiC納米結構的功能化應用，對其進行了各種類型的摻雜，如N、Al、B等原子的摻雜，其場發射及光電特性明顯改善。這些研究成果為SiC納米結構在場發射顯示器、場效應晶體管及光電探測器等領域的應用提供了堅實的技術支持。
[0005]中國專利申請文件(CN 102148160A)中公開了一種制備基于P型SiC納米線的場效應管的方法，具體為:將有機前軀體聚硅氮烷和硝酸鋁混合后交聯、粉碎，再置于Al2O3坩禍中，在其上方放置C基板，然后進行高溫熱解，隨后隨爐冷卻在C基板上得到原位摻雜Al的SiC納米線，將該納米線分散在乙醇溶液里，旋涂在硅片上，采用光刻-蒸鍍-剝離工藝在SiC納米線兩端分別作源電極和漏電極，并以硅襯底作背柵極。但該專利合成的為Al摻雜的SiC納米線，屬P型半導體。
[0006]雖然在力求獲得新穎SiC納米結構方面取得了一定進展，但目前仍沒有關于P摻雜SiC —維納米結構的N型半導體的報道，而尤其適用于場發射陰極材料，即實現具有超高長徑比的原子摻雜SiC —維納米結構的研發已非常迫切。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是針對現有的技術存在上述問題，提出了一種具有長徑比的P摻雜SiC納米線。
[0008]本發明的目的可通過下列技術方案來實現:一種具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線，所述納米線的相成份為3C-SiC，所述P摻雜SiC納米線中P摻雜量為0.10-0.15at.%，所述納米線的直徑為50-200nm，長徑比為500-3000。
[0009]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線中，所述P摻雜SiC納米線的表面光滑或者粗糙，且粗細均勻或者粗細不一致。
[0010]上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法包括如下步驟:
[0011]有機前驅體熱交聯固化和粉碎，得有機前驅體粉末；
[0012]碳紙浸漬在含有催化劑的乙醇溶液中，并超聲處理；
[0013]將有機前驅體粉末和？#04粉末混合置于石墨坩禍底部，在坩禍頂部放置超聲處理后的碳紙；
[0014]將石墨坩禍及碳紙一起置于氣氛燒結爐中，在Ar氣氛保護下于1350-1450°C下進行熱解；
[0015]氣氛燒結爐冷卻至1080_1150°C，再隨爐冷卻至室溫，即可得到具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線。
[0016]本發明通過有機前驅體熱解法，以碳紙為襯底，FePO4S摻雜劑，制備了具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線。這項技術將有效的推動SiC納米結構的物化性能研究及其功能化應用進程。
[0017]本發明先將有機前驅體熱交聯固化和粉碎再與摻雜劑FeP04粉末混合置于石墨坩禍中，以碳紙為襯底，制備P摻雜SiC納米線。首先，本發明可通過控制有機前驅體粉末和？#04粉末的混合比例，實現對SiC納米線P摻雜濃度的調控。其次，Al 203坩禍有可能使SiC納米線中摻入Al雜質原子，但本發明將混合粉末置于石墨坩禍不會引入其他雜質原子。再者，碳紙浸漬在乙醇溶液中，可以使乙醇溶液吸附在碳紙表面，取出后，乙醇揮發掉后，催化劑均勻的附著在碳紙表面，催化劑輔助、約束著SiC納米線的生長。
[0018]在本發明中，氣氛燒結爐冷卻至1080-1150 °C，可以更好地控制冷卻速度，從而實現SiC納米線的有效生長，在低于1080-1150°c下納米線不再生長，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。
[0019]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，所述熱交聯固化在N2氣氛下于250-280°C保溫20-50min。若交聯溫度過低不能長出SiC納米線，若溫度過高，設備損耗大，增大成本。
[0020]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的有機前驅體為聚硅氮烷，也可以使用其他含有Si和C元素的有機前驅體，比如C粉和Si粉的混合粉末。
[0021]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，所述的催化劑為濃度0.04-0.06mol/L 的 Co (NO3)20
[0022]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，所述有機前驅體粉末和？#04粉末的質量比為5:1-2。有機前驅體粉末和FePO4粉末的質量比不同，合成的SiC納米線中的P摻雜濃度也不同，FePO4的含量越大，P摻雜濃度越高。
[0023]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，所述氣氛燒結爐為石墨電阻氣氛燒結爐，熱解溫度為1380-1420°C。
[0024]作為優選，熱解的具體步驟為:將石墨坩禍及碳紙一起置于石墨電阻氣氛燒結爐中，氣氛爐先抽真空至10 4Pa,再充入高純Ar氣(純度為99.99%),直至壓力為一個大氣壓(0.1lMpa)，再以22-28°C /min的速率從室溫快速升溫至1380-1420°C。本發明的熱解不需要經過保溫，快速升溫至一定溫度進行熱解，就可以快速冷卻。升溫速度在有機前驅體的熱解過程有影響，同時過快升溫不利于對溫度的控制，因此，本發明將升溫速率控制在22-28 0C /min ο
[0025]在上述具有超高長徑比的P摻雜SiC納米線的制備方法中，氣氛燒結爐冷卻時的速率為 22-28°C /min。
[0026]與現有技術相比，本發明最大的優點在于，通過簡單可行的制備方法即可制得具有超高長徑比的SiC納米線，并實現對SiC納米線進行P原子摻雜，本發明納米線的直徑為50-200nm,長徑比可達 500-3000。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明實施例1所制得的P摻雜SiC納米線的X射線衍射(XRD)圖。
[0028]圖2為本發明實施例1所制得的P摻雜SiC納米線的低倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0029]圖3為本發明實施例1所制得的P摻雜SiC納米線的高倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0030]圖4為本發明實施例1所制得的P摻雜SiC納米線的選區電子衍射(SAED)圖。
[0031]圖5為本發明實施例1所制得的P摻雜SiC納米線的P原素描掃圖。
[0032]圖6為本發明實施例2所制得的P摻雜SiC納米線的低倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0033]圖7為本發明實施例2所制得的P摻雜SiC納米線的高倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0034]圖8為本發明實施例3所制得的P摻雜SiC納米線的低倍掃描電鏡(SEM)圖。
[0035]圖9為本發明實施例3所制得的P摻雜SiC納米線的高倍掃描電鏡(SEM)圖。
【具體實施方式】
[0036]以下是本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明并不限于這些實施例。
[0037]實施例1
[0038]選取聚硅氮烷，在N2氣氛保護下于260°C保溫30min進行熱交聯固化，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。
[0039]裁取碳紙5X5cm(長X寬)，在0.05mol/L