一种Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低维半导体材料的制备方法，特别是一种Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法。
【背景技术】
[0002]自1991年，日本的lijima教授发现碳纳米管以来，半导体低维纳米材料就成为了纳米科技界的研究热点和重点。随着研究的深入和技术的进步，有望为新颖高效的光电器件研发获得重大突破提供契机。场发射是低维纳米材料的固有特性之一。研究表明，纳米结构具有传统材料所不具备的优异场发射性能，在显示和真空电子等光电器件领域具有巨大的潜在应用前景。然而，基于低维纳米结构的场发射阴极材料得以真正应用还有赖于其性能的进一步改善和提高，比如提高电子发射特性，获得更低的开启电场等。
[0003]SiC是一种重要的第三代半导体材料，其低维纳米结构由于具有高的禁带宽度、高热导率和电子饱和迀移率、高电子漂移速率、小的介电常数、优异的物化性能等优越特性，在场发射阴极材料领域有着广泛的应用前景，近十年来颇受关注。1999年，Wong等人首次报道了 SiC纳米线的电子发射特性。随后，国内外大量的工作报道了不同形貌的SiC低维纳米结构和不同元素掺杂的SiC纳米线的场发射特性，如SiC纳米线的开启电场为
3.33-10.1V/ μ m，SiC纳米带的开启电场为3.2V/ μ m, SiC/Si纳米异质结构的开启电场为
2.6V/ μ m, SiC/S1jfi米电缆的开启电场为3.3-4.5V/ μ m,阵列化SiC纳米线的开启电场为0.7-1.5V/ μ m, N掺杂的SiC纳米线的开启电场为1.90V/ym, B掺杂的SiC纳米线的开启电场为1.35V/ μπι，Α1掺杂的SiC纳米针的开启电场为1.0V/ymo
[0004]然而，已有研究工作主要集中在对SiC形貌的控制和对SiC纳米线的掺杂改性的发射阴极材料，而通过表面修饰低维的SiC纳米结构，提高电子发射特性，大幅度降低SiC纳米结构的开启电场，鲜见文献报道。
【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明公开了一种Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法，能够实现Au纳米颗粒修饰SiC纳米线及其应用为场发射阴极的制备。与未经Au纳米颗粒修饰的SiC场发射阴极材料相比，其开启电场降低近1倍，表明Au纳米颗粒修饰，能有效提高SiC纳米线的电子发射能力。所制备的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线作为场发射阴极具有较低的开启电场，有望应用于场发射显示器、小型化X射线管等领域。
[0006]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法，包括如下步骤:
[0007]a、前置处理:前躯体预处理、基体预处理；
[0008]b、纳米线制备:预处理后的前躯体和预处理后的基体共同置于烧结氛围下，在保护气氛下，前躯体热解，再降温在预处理后的基体上生长纳米线；
[0009]c、纳米线修饰:在纳米线上形成Au纳米颗粒，Au纳米颗粒的尺寸为l-10nm。
[0010]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤c中纳米线的直径为0.05-1微米。
[0011]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤c中纳米线上Au纳米颗粒为在常温高真空条件下真空溅射得到的。
[0012]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤c中高真空条件为10 4-10 6Pa。
[0013]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤b中前躯体的热解为前躯体经匀速升温至热解温度充分热解，热解温度为1300-1550°C，升温速率20-40。。/min ο
[0014]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤b中热解氛围为包括氮气、氩气中至少一种的气体。
[0015]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤b中热解氛围为氮气、氩气混合气，其中混合气中N2含量为3-10 (v/v) %。
[0016]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，步骤b中降温为热解后降温(降温速度为10-20°C /min)至生长温度1050-1150°C。
[0017]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，前躯体为含有Si和C元素的有机前驱体。
[0018]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种改进，基体的预处理为基体在浓度为0.01-0.lmol/L的Co (N03) 2溶液中浸渍1_10分钟。
[0019]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的制备方法的一种具体的实施方案为，其中基
[0020]体采用碳纤维布，前躯体采用聚硅氮烷:
[0021]1)有机前驱体热交联固化(固化温度为250-270°C ;固化时间30_60分钟)和粉碎；(前躯体准备时，固化后的原料经粉碎后的粉末的粒径尺寸为0.3-5 μ m。通过控制原料粉末的尺寸，有利于对纳米线在烧结过程中生长时的晶型稳定性进行控制，在采用较小的晶粒时，由于热解速度较快，生长速度较高，晶胞结构极易出现位错等缺陷，使得单晶形态的一维材料难以实现，同时原子的堆叠周期同样会被延长，无论是在实现C型、R型、Η型结构时均难以得到周期较短的晶体结构，并且由于生长速度快，材料的直接会较为粗胖，对性能控制不易；而粒径过于粗大，则会导致烧结热解效率低，受热不均，甚至出现原料来不及热解而成为材料中杂质的现象，对烧结热解过程的控制要求稍显严格)；
[0022]2)将碳纤维布浸置在Co (N03) 2溶液中2分钟(基体预处理);
[0023]3)将粉碎得到的有机前驱体粉末置于氧化铝坩祸中，并将经过Co (N03) 2溶液处理的碳纤维布衬底放置在坩祸顶部；
[0024]4)将氧化铝坩祸及衬底一起置于气氛烧结炉中，在氮氩混合气氛保护下加热到特定的热解温度；
[0025]5)按一定的冷却速率将气氛炉温度降至1100°C ；
[0026]6)随炉冷却至室温，在碳纤维布上实现SiC纳米线结构的制备。
[0027]7)将在碳纤维布上制备好的SiC纳米线在室温、高真空下用溅射设备喷Au，实现了 Au纳米颗粒修饰SiC纳米线的场发射阴极制备。
[0028]8)将喷Au后的场发射阴极装入测试系统中，进行场发射性能检测和分析。
[0029]所述步骤(1)中，使用的原料为聚硅氮烷，亦可使用其他含Si和C元素的有机前驱体(如聚娃氧烧等)。
[0030]所述步骤(2)中，采用碳纤维布作为衬底，Co(N03)2作催化剂，Co(N03)2浓度为0.05mol/L,亦可采用其他浓度的Co (N03)2溶液。
[0031]所述步骤(4)中，所采用的烧结设备为石墨电阻气氛烧结炉，加热速率为30°C /min，热解温度为1450°C，亦可采用其他的加热速率和热解温度，热解气氛为N2:Ar = 5:95的混合气(体积比)，各组分的纯度为99.99%。
[0032]所述步骤(5)中，所采用的冷却速率为14°C /min。
[0033]所述步骤(7)中，喷Au时间为15s。
[0034]所述步骤⑶中，场发射性能测试中，阴极为Au纳米颗粒修饰的SiC纳米线，阳极为不锈钢，场发射测试仪器的真空度为3 X 10 7Pa,阴阳极之间距离设置为700 μ m，电压-电流曲线由Keithley 248高压电源测定，场发射测试在室温下进行。
[0035]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极，包括基底以及分布于基底上的电极，电极中至少部分的材料为纳米线，所述纳米线为在纳米线上形成有Au纳米颗粒的，所述Au纳米颗粒的尺寸为l-10nm。
[0036]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，纳米线的直径(最大径)为0.05-1微米。
[0037]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，纳米线上Au纳米颗粒为在常温高真空条件下真空溅射得到的。
[0038]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，高真空条件为10 4-10 6Pa。
[0039]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，纳米线包括柱状的本体和形成于本体端部的头部，其中头部包含元素钴。
[0040]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，本体为包括以结晶形式存在的SiC晶体。
[0041]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，头部为含有碳元素和硅元素的钴合金。
[0042]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，头部为球形或者椭球形，头部的表面为光滑表面或者不光滑表面(如表面具有凹凸结构或者瓣状结构)。
[0043]本发明公开的Au纳米颗粒修饰SiC纳米线场发射阴极的一种改进，本体表