[发明专利]一种具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种SiC纳米线，具体涉及一种具有长高长径比的P掺杂SiC纳米线及其制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

20世纪90年代以来，以新一代量子器件和纳米结构器件为背景的纳米结构设计和合成成为纳米材料研究的新热点，特别是纳米结构组装体系的研究更是吸引了国内外的科研工作者，将低微纳米结构体系应用到更广阔的领域。

SiC是继第一代(Si)和第二代(GaAs)半导体材料之后发展起来的第三代半导体材料。与其传统体材料相比，低维SiC纳米结构高的禁带宽度、高的热导率和电子饱和迁移率、小的介电常数和较好的机械性能等优异特性，在微纳米光电器件等领域有着广泛的应用前景，近十年来颇受关注。

致力于拓宽SiC低维纳米结构的应用，人们在SiC低维纳米结构的制备工艺及形貌的精细调控方面做了大量工作，多种新颖的SiC纳米结构如具有竹节状的纳米线、端部尖锐且干净的纳米针、表面经纳米粒子修饰的纳米管、纳米异质结结构和阵列化一维纳米结构等均有文献报道。同时，为推动SiC纳米结构的功能化应用，对其进行了各种类型的掺杂，如N、Al、B等原子的掺杂，其场发射及光电特性明显改善。这些研究成果为SiC纳米结构在场发射显示器、场效应晶体管及光电探测器等领域的应用提供了坚实的技术支持。

中国专利申请文件(CN102148160A)中公开了一种制备基于P型SiC纳米线的场效应管的方法，具体为：将有机前躯体聚硅氮烷和硝酸铝混合后交联、粉碎，再置于Al₂O₃坩埚中，在其上方放置C基板，然后进行高温热解，随后随炉冷却在C基板上得到原位掺杂Al的SiC纳米线，将该纳米线分散在乙醇溶液里，旋涂在硅片上，采用光刻-蒸镀-剥离工艺在SiC纳米线两端分别作源电极和漏电极，并以硅衬底作背栅极。但该专利合成的为Al掺杂的SiC纳米线，属P型半导体。

虽然在力求获得新颖SiC纳米结构方面取得了一定进展，但目前仍没有关于P掺杂SiC一维纳米结构的N型半导体的报道，而尤其适用于场发射阴极材料，即实现具有超高长径比的原子掺杂SiC一维纳米结构的研发已非常迫切。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种具有长径比的P掺杂SiC纳米线。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线，所述纳米线的相成份为3C-SiC，所述P掺杂SiC纳米线中P掺杂量为0.10-0.15at.％，所述纳米线的直径为50-200nm，长径比为500-3000。

在上述具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线中，所述P掺杂SiC纳米线的表面光滑或者粗糙，且粗细均匀或者粗细不一致。

上述具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线的制备方法包括如下步骤：

有机前驱体热交联固化和粉碎，得有机前驱体粉末；

碳纸浸渍在含有催化剂的乙醇溶液中，并超声处理；

将有机前驱体粉末和FePO₄粉末混合置于石墨坩埚底部，在坩埚顶部放置超声处理后的碳纸；

将石墨坩埚及碳纸一起置于气氛烧结炉中，在Ar气氛保护下于1350-1450℃下进行热解；

气氛烧结炉冷却至1080-1150℃，再随炉冷却至室温，即可得到具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线。

本发明通过有机前驱体热解法，以碳纸为衬底，FePO₄为掺杂剂，制备了具有超高长径比的P掺杂SiC纳米线。这项技术将有效的推动SiC纳米结构的物化性能研究及其功能化应用进程。

本发明先将有机前驱体热交联固化和粉碎再与掺杂剂FePO4粉末混合置于石墨坩埚中，以碳纸为衬底，制备P掺杂SiC纳米线。首先，本发明可通过控制有机前驱体粉末和FePO₄粉末的混合比例，实现对SiC纳米线P掺杂浓度的调控。其次，Al₂O₃坩埚有可能使SiC纳米线中掺入Al杂质原子，但本发明将混合粉末置于石墨坩埚不会引入其他杂质原子。再者，碳纸浸渍在乙醇溶液中，可以使乙醇溶液吸附在碳纸表面，取出后，乙醇挥发掉后，催化剂均匀的附着在碳纸表面，催化剂辅助、约束着SiC纳米线的生长。

在本发明中，气氛烧结炉冷却至1080-1150℃，可以更好地控制冷却速度，从而实现SiC纳米线的有效生长，在低于1080-1150℃下纳米线不再生长，因此在低于1080-1150℃后即可随炉冷却至室温，也不用再考虑冷却速率。