PDF《La 或N掺杂 SiC 纳米线的制备、场发射性能及第一性原理计算》

1191 Acta Phys. -Chim. Sin.

2015 Vol.31

1 引言碳化硅(SiC)一维纳米结构具有非常好的机械 特性、 很高的热导率、 低的热膨胀系数、 稳定的化学 性质、 高的临界击穿电场、 高的电子漂移速率以及 超强的抗辐射特性和电子亲和性等优势,1-3 在各种 纳米电子器件中显现出巨大的应用前景. 近年来, 由于在平板显示器和场发射电子枪等领域中的潜 在价值, SiC 优异的场发射性能 4-7 逐渐引起了国内 外的广泛关注, 促使研究人员开始进行增强其场发 射性能的研究, 以获得更理想的冷阴极发射材料. 相比于特殊形貌及材料复合对SiC纳米材料场发射 性能的改善, 元素掺杂普遍被认为是一种更加简单 易行的途径. 我们课题组8,9 已制备晶态碳(c-C)、 SiO2 与SiC(SiC@SiO2@c-C)三层复合结构的同轴纳米电 缆及非晶态碳(a-SiC)包覆 SiC 复合结构, 尽管已获 得优异的场发射性能, 但制备工艺较为复杂, 不利 于大规模制备. 到目前为止, 对于元素掺杂SiC纳米 线, 许多课题组已取得令人瞩目的成果. Zhang 等10 采用 Al(NO3)3 作为掺杂剂制备了 Al 掺杂 SiC 纳米 线, 并测得其开启电场为1 V?μm-1 ;

Chen课题组11 以Co(NO3)3 作为催化剂, 在N2 气氛中制备了 N 掺杂 SiC纳米线, 测得开启电场和阈值电场分别为1.9和5.2 V ? μm-

1 ;

Yang 课题组12 通过热解前驱体Si0.94BC0.78N1.53O0.25 制备了 B 和N共掺杂 SiC, 并获得 1.35 V?μm-1 的开启电场. 另外, 其它各种半导体一 维纳米材料的场发射特性也已被广泛研究, 例如 ZnO纳米线、

13 C纳米管、

14 CdS纳米线15 等. 稀土元素(RE)因为d和f轨道的存在, 使其具有 许多特殊的光电性质, 已被广泛应用于发光二极管 (LED)、

16 有机发光二极管(OLED)、

17 阴极射线管 (CRT)、

18 光催化领域 19,20 以及发光领域,21 但是其在 冷阴极场发射材料(FED)中的应用却少有报道. La 与IIIA 族的 B 和Al 相似, 具有

3 个价电子, 因此 La 掺杂到 SiC 晶格后将在价带顶引入受主能级, 导致 场发射性能极大提高. 另外, N作为一种常见的掺杂 元素, 在Ⅴ族元素中具有最低的 p 轨道能量和最小 的原子尺寸, 被广泛应用于各种半导体的掺杂. 利用NH3 在加热条件下对纳米材料进行 N 掺杂, 具有 掺杂温度低、 掺杂效果好等优点. 但是 La 掺杂与以 NH3 作为掺杂剂实现 N 掺杂 SiC 纳米线却从未见被 报道, 结合第一性原理计算, 探究元素掺杂增强场 发射性能的机理也鲜有提及. 本文采用化学气相沉积法和气相掺杂法, 分别 制备了La或N掺杂的SiC纳米线, 并对它们的场发 射性能进行了测试, 测试结果表明, N掺杂SiC具有 最优的场发射性能, 其开启电场和阈值电场分别为 0.9 和4.0 V?μm-1 . 采用基于第一性原理的 Material Studio 软件中的 Castep 模块对 La 或N掺杂产物的 能带结构和态密度进行计算. 根据计算结果, 解释 了元素掺杂导致场发射性能增强的机理, 并为不同 掺杂元素对纳米材料场发射性能的提升提供了理 论基础.

2 实验2.1 材料的制备 (1) La掺杂SiC纳米线的制备. 称取碳粉2 g, Si/ SiO2 混合粉体(摩尔比为 3:1)

4 g, 放入研钵中研磨

30 min, 确保粉体混合均匀. 将浓度为

4 mol?L-1 的La(NO3)3 乙醇溶液5 mL均匀滴加在石墨基片上, 室 温晾干后再滴加 0.01 mol?L-1 的Ni(NO3)2 乙醇溶液

2 mL. 随后将混合粉体置于基片上, 用碳布将其隔 开, 再将它们一起放入石墨模具中, 最后将石墨模 具放入真空可控气氛炉中. 启动真空泵, 使真空度 达到