一種Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種低維半導體材料的制備方法，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】
[0002]自1991年，日本的lijima教授發現碳納米管以來，半導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的進步，有望為新穎高效的光電器件研發獲得重大突破提供契機。場發射是低維納米材料的固有特性之一。研究表明，納米結構具有傳統材料所不具備的優異場發射性能，在顯示和真空電子等光電器件領域具有巨大的潛在應用前景。然而，基于低維納米結構的場發射陰極材料得以真正應用還有賴于其性能的進一步改善和提高，比如提高電子發射特性，獲得更低的開啟電場等。
[0003]SiC是一種重要的第三代半導體材料，其低維納米結構由于具有高的禁帶寬度、高熱導率和電子飽和迀移率、高電子漂移速率、小的介電常數、優異的物化性能等優越特性，在場發射陰極材料領域有著廣泛的應用前景，近十年來頗受關注。1999年，Wong等人首次報道了 SiC納米線的電子發射特性。隨后，國內外大量的工作報道了不同形貌的SiC低維納米結構和不同元素摻雜的SiC納米線的場發射特性，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納米異質結構的開啟電場為
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射陰極材料，而通過表面修飾低維的SiC納米結構，提高電子發射特性，大幅度降低SiC納米結構的開啟電場，鮮見文獻報道。
【發明內容】
[0005]為解決上述問題，本發明公開了一種Au納米顆粒修飾SiC納米線的制備方法，能夠實現Au納米顆粒修飾SiC納米線及其應用為場發射陰極的制備。與未經Au納米顆粒修飾的SiC場發射陰極材料相比，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納米線的電子發射能力。所制備的Au納米顆粒修飾SiC納米線作為場發射陰極具有較低的開啟電場，有望應用于場發射顯示器、小型化X射線管等領域。
[0006]本發明公開的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:前軀體預處理、基體預處理；
[0008]b、納米線制備:預處理后的前軀體和預處理后的基體共同置于燒結氛圍下，在保護氣氛下，前軀體熱解，再降溫在預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元素的有機前驅體。
[0018]本發明公開的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)有機前驅體熱交聯固化(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過程中生長時的晶型穩定性進行控制，在采用較小的晶粒時，由于熱解速度較快，生長速度較高，晶胞結構極易出現位錯等缺陷，使得單晶形態的一維材料難以實現，同時原子的堆疊周期同樣會被延長，無論是在實現C型、R型、Η型結構時均難以得到周期較短的晶體結構，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，則會導致燒結熱解效率低，受熱不均，甚至出現原料來不及熱解而成為材料中雜質的現象，對燒結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(基體預處理);
[0023]3)將粉碎得到的有機前驅體粉末置于氧化鋁坩禍中，并將經過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SiC納米線結構的制備。
[0027]7)將在碳纖維布上制備好的SiC納米線在室溫、高真空下用濺射設備噴Au，實現了 Au納米顆粒修飾SiC納米線的場發射陰極制備。
[0028]8)將噴Au后的場發射陰極裝入測試系統中，進行場發射性能檢測和分析。
[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，所采用的燒結設備為石墨電阻氣氛燒結爐，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，場發射測試儀器的真空度為3 X 10 7Pa,陰陽極之間距離設置為700 μ m，電壓-電流曲線由Keithley 248高壓電源測定，場發射測試在室溫下進行。
[0035]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極，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]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，納米線的直徑(最大徑)為0.05-1微米。
[0037]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，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]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，高真空條件為10 4-10 6Pa。
[0039]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，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]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，本體為包括以結晶形式存在的SiC晶體。
[0041]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，頭部為含有碳元素和硅元素的鈷合金。
[0042]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，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(如表面具有凹凸結構或者瓣狀結構)。
[0043]本發明公開的Au納米顆粒修飾SiC納米線場發射陰極的一種改進，本體表