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》

30 Pa, 通入氩气并再次抽真空至

30 Pa, 反复

3 次. 按图1所示工艺曲线设置工艺参数, 开启加热装 置, 进行实验. 实验结束后关闭设备, 随炉冷却. be attributed to the impurity energy level (La 5d or N 2p) generated near the Fermi level. Because of the narrower gap, electrons transfer from the valence band maximum (VBM) to conduction band minimum (CBM) need less energy, and this enhances the field emission property. Key Words: Field emission property;

La-doping;

N-doping;

SiC nanowire;

First-principles 图1 La掺杂SiC纳米线制备工艺示意图 Fig.1 Sketch map of preparing La-doped SiC nanowires

1192 李镇江等: 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 No.6 (2) N 掺杂 SiC 纳米线的制备. 制备过程分两步 完成, 首先在真空气氛炉中制备未掺杂的 SiC 纳 米线, 过程如下. 称取碳粉

2 g, Si/SiO2 混合粉体 (摩尔比为 3:1)

4 g, 并研磨

30 min. 将0.01 mol?L-1 的Ni(NO3)2 乙醇溶液

2 mL 均匀滴加在直径为

7 cm 的圆形石墨基片上. 室温下风干后, 将研磨后的原 料均匀铺于石墨基片上, 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, 使气氛炉内真空度达 到30 Pa, 通入氩气并再次抽真空至

30 Pa, 反复

3 次. 按图1中的工艺曲线设置工艺参数, 开启加热装 置, 进行实验. 实验结束后关闭电源, 随炉冷却. 将以上制备的 SiC 纳米线置于管式炉中, 启动 真空泵, 使管式炉内真空度达到100 Pa, 通入氩气并 再次抽真空至

100 Pa, 反复

3 次. 按图

2 中的工艺曲 线设置的工艺参数进行实验, 开启加热装置, 将炉 温加热至800 °C时, 通氨气3 h后停止通气, 关闭电 源, 随炉冷却至室温. 2.2 表征与性能测试 利用日立公司S-

4200 型扫描电子显微镜(SEM), 配有选区电子衍射(SAED)的JEOL-2011 型 透射电子显微镜(TEM)和德国Bruker公司的D8 Ad- vance 型X射线衍射仪(XRD)对试样的微观形貌和 物相结构进行分析;

利用扫描电镜所带的能谱分析 仪(EDS)对试样进行元素分析;

利用中国科学院沈 阳科学仪器研制中心生产的超高真空场发射测试 设备对样品进行场发射性能测试. 场发射性能测试 在1.0*10-5 -2.0*10-5 Pa的超高真空室内进行. 另外, 选择直径3 mm的铜棒为阳极, 试样为阴极, 设置阴 阳极之间的距离为

500 μm, 控制电压在 0-3 kV 之间, 且每次增加电压

100 V, 记录电流表显示的相应 电流. 2.3 Material Studio的计算方法及过程 采用材料分析软件Material Studio, 使用其中的 Castep 模块对 La 或N掺杂 SiC 的态密度进行计算. 选取La、 N、 C和Si原子的价电子组态分别为2s2 2p3 、 5d2 6s2 、 2s2 2p2 和3s2 3p2 , 在k空间中, 计算精度的控制 是由平面波的截断能量选择改变平面波基矢实现 的. 建立3*3*2的超晶胞, 并用La或N原子取代SiC 中的原子, 此时La或N原子百分比为2.67%, 对掺杂 后的SiC超晶胞进行几何优化, 布里渊区k矢的选取 为3*3*6, 自洽精度为1.0*10-6 eV?atom-1 , 平面波的 截断能为310 eV.

3 结果与讨论 3.1 未掺杂、 La掺杂和N掺杂SiC纳米线的形貌、 结构和元素分析 从图3(a-c)中可以看出, SiC纳米线的形貌在掺 杂前后没有明显变化, 均有较大程度的弯曲, 它们 均匀且密集地分布在石墨基片上, 长度约在几到几 十个微米之间. 从高倍率图片(插图)可以看出, 纳米 线的直径在40-50 nm之间. 元素掺杂后不会导致形 貌的改变, 这或许是因为 La 或N原子进入 SiC 晶图2 N掺杂SiC纳米线制备工艺示意图 Fig.2 Sketch map of preparing N-doped SiC nanowires 图3 产物的SEM图片 Fig.3 SEM photographs of the products (a) undoped;