王瑋韜 陳春梅

摘 要：SiC具有良好的物理性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。本文從SiC微納米材料的制備和器件應(yīng)用展開(kāi)綜合論述，SiC微納米材料被廣泛應(yīng)用在光電催化、光電探測(cè)器、場(chǎng)發(fā)射顯示器等領(lǐng)域，是目前研究的必不可少的材料。

關(guān)鍵詞：SiC；制備；應(yīng)用；綜述

中圖分類號(hào)：0646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 研究背景

SiC納米材料的具有比較寬的帶隙（2.4～3.2ev），電子遷移率比較快，化學(xué)穩(wěn)定性好，高的熱導(dǎo)率等一系列的優(yōu)點(diǎn)[1]。由于其材料本身具有的眾多優(yōu)勢(shì)，能夠在顯微鏡、場(chǎng)發(fā)射顯示器、真空微電子器件等范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用[2]，這也是很多研究者對(duì)SiC納米材料如此熱衷的原因之一。現(xiàn)在大部分制備方法都比較成熟，當(dāng)研究者能夠有效合成SiC時(shí)，會(huì)逐漸把興趣放在材料的應(yīng)用方面。近幾年，微納米材料的應(yīng)用非常迅速，研究者更是青睞于對(duì)SiC微納米材料應(yīng)用的研究，Chong等人研究了SiC納米材料制備光電探測(cè)器件[3]，chen等人研究了SiC納米線的場(chǎng)發(fā)射性能[4]等。SiC微納米材料未來(lái)將成為主要的材料應(yīng)用實(shí)際生活以及生產(chǎn)。

本文通過(guò)對(duì)SiC不同制備方法進(jìn)行了論述，并對(duì)其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用闡述列舉，為研究者提供了支持。

2 SiC制備方法

2.1 模板法

早期zhou等人采用模板法，以碳納米管為模板，與SiO在1700℃的高溫下產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，生成SiC納米線[5]；GIORCELLI 等人通過(guò)氣相沉積法合成了碳納米管，Si粉末作為硅源，通惰性氣體1380℃和1700℃各保溫4h和30min，合成制備了SiC空心微納米結(jié)構(gòu)[6]。

2.2 靜電紡絲法

靜電紡絲法逐漸成熟，很多研究者采用此方法制備SiC微納米材料。靜電紡絲法有陰陽(yáng)極兩端，加上電壓，使溶液從陽(yáng)極發(fā)射到陰極，得到前驅(qū)體溶液，并進(jìn)行固化高溫分解，得到理想的微納米材料。2011年，Hou等把PVP、PSN、無(wú)水乙醇以一定的比例混合，得到PVP/PSN前驅(qū)體混合溶液，以金屬針頭做陽(yáng)極、鐵絲網(wǎng)做陰極、陰陽(yáng)極之間的而距離為20cm，在14KV的高壓下進(jìn)行靜電紡絲，得到PVP/PSN前驅(qū)體纖維，將得到的纖維進(jìn)行固化以及高溫分解，最后得到SiC介孔纖維[7]。

2.3 陽(yáng)極氧化法

Chen等人通過(guò)采用陽(yáng)極氧化方法，并結(jié)合脈沖電源制備了SiC納米線陣列，通過(guò)脈沖電源控制氧化速度以及強(qiáng)度[4]。相比較這兩種制備方法，從陽(yáng)極氧化制備SiC過(guò)程中，我們也能發(fā)現(xiàn)，孔是納米線產(chǎn)生的初始階段，隨著電壓的不斷加大以及氫氟酸溶液比例的增加，孔壁會(huì)不斷斷裂，最后形成納米線。陽(yáng)極氧化法實(shí)現(xiàn)了在常壓常溫下制備SiC納米線的技術(shù)，克服了高溫高壓下材料合成的不穩(wěn)定性以及不可控性，陽(yáng)極氧化法還具有操作簡(jiǎn)單、周期短等優(yōu)點(diǎn)，為以后實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)打下良好的基礎(chǔ)。

3 SiC納米材料的應(yīng)用

3.1 SiC應(yīng)用在光電催化

閃鋅礦結(jié)構(gòu)碳化硅（SiC）材料具有合適的帶隙、高的物理化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸堿腐蝕，且其導(dǎo)帶的氧化-還原電位較負(fù)，光生電子的還原能力強(qiáng)，是一種新型光電催化分解水制氫催化劑。SiC 禁帶寬度比較大， 價(jià)帶能位置比較高，光生電子具有足夠的能力還原 H+， 因此SiC被大量研究于光電催化分解水產(chǎn)氫。Liao等人合成SiC-PEDOT/PSS薄膜，并作為催化劑進(jìn)行光催化分解水制氫實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得出：當(dāng)PEDOT/PSS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5 wt%時(shí)，復(fù)合光催化劑的制氫效率達(dá)到100.7 μmol g1 h1，而且經(jīng)過(guò)15 h的循環(huán)制氫反應(yīng)后依然保持良好的光解水制氫穩(wěn)定性。由于光照射到復(fù)合催化劑時(shí)，SiC納米材料產(chǎn)生的空穴不斷大量遷移到PEDOT/PSS，導(dǎo)致電子-空穴對(duì)的分離，從而使效率提高[8]。Wang等人研究了SiO2/SiC納米線光催化分解水性能及光電化學(xué)性能。研究表明，當(dāng)SiO2包覆層厚度達(dá)到10 nm時(shí)，Si C納米線產(chǎn)氫速率達(dá)到最大為2432 μL·g1·h1，并開(kāi)始光解水性能循環(huán)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行20 h后產(chǎn)氫量并沒(méi)有明顯降低，說(shuō)明此材料作為催化劑具有非常高的穩(wěn)定性，可以歸納為SiO2包覆層能夠有效快速的捕捉電子，造成電子-空穴對(duì)的分離；同時(shí)SiO2包覆層有效的阻礙了SiC納米線的電子-空穴對(duì)的復(fù)合，有效的增強(qiáng)SiC納米線作為催化劑光解水的效率[9]。Yu等人等人合成了SiC納米材料，電催化和光電催化去除難降解的2，4-DCP， 研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解偏電壓在1.02V、光電催化180min后，SiC-0.01 的光電催化效率能夠達(dá)到 92.5%， 表明其具有很好的光電催化還原脫氯性能[10]。

3.2 光電探測(cè)器

在半導(dǎo)體化合物中，碳化硅是一種不可或缺的光電材料。極強(qiáng)的原子鍵結(jié)合力和高電子遷移率使它具有絕佳的光電和機(jī)械性能，這使得碳化硅成為高速光電子器件的研究熱點(diǎn)。此外，由于 SiC的禁帶寬度為 2.3-3.3 eV，它非常適合進(jìn)行紫外光和藍(lán)光的探測(cè)。Chong等人制備的3C-SiC單根納米線，通過(guò)光電探測(cè)器件測(cè)試，光響應(yīng)的上升時(shí)間和下降時(shí)間非常短，分別是0.2s和0.09s；在5.0v的偏壓和420nm的藍(lán)光光照下，較高的光譜響應(yīng)度（Ri）和外量子效率（EQE），其Ri和EQE分別是3.3×106A/W和9.7×108%，其光電探測(cè)器件可以在200℃的高溫下進(jìn)行光探測(cè)[3]。實(shí)驗(yàn)研究表明，研制的光電探測(cè)器件具有良好的靈敏度、響應(yīng)度以及穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)。以4H-SiC為基礎(chǔ)制備的光電探測(cè)器件，用250nm和0.2mw/cm2的光照，得到的光電流為55μA，并能夠在300℃高溫下進(jìn)行光電探測(cè)，而且具有穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

3.3 場(chǎng)效應(yīng)顯示器

SiC本身具有電子傳輸速度快，良好的穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，是制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管的最佳候選材料之一。目前SiC納米線以及納米線陣列的制備，使得場(chǎng)效應(yīng)晶體管的應(yīng)用更廣泛。Chen等人制備準(zhǔn)納米陣列，具有納米陣列的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟電場(chǎng)相對(duì)一些雜亂無(wú)序的納米線，開(kāi)啟電場(chǎng)是在降低，為1.9V/μm[4]；Wang等人制備的B摻雜的SiC納米線針狀陣列，并以此為場(chǎng)發(fā)射陰極材料進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試，常溫下陰陽(yáng)極之間的距離為500μm時(shí)，開(kāi)啟電場(chǎng)是1.92V/μm，在常溫和200℃時(shí)，連續(xù)測(cè)試8h，電流變化波動(dòng)分別是6.5%和7.8%，相比較常溫下，高溫的穩(wěn)定性并沒(méi)有明顯的變化，這是因?yàn)閾诫s的B-C比Si-C穩(wěn)定性好[11]。Chen等人制備的SiC納米線陣列長(zhǎng)徑比大，并且納米線本身是葫蘆狀結(jié)構(gòu)，以制備的4H-SiC納米線為陰極進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射性能測(cè)試，更多的電子從陰極發(fā)射到陽(yáng)極，產(chǎn)生的發(fā)射電流密度比較大以及開(kāi)啟電壓（0.95V/μm）較低，具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能[4]。高定向的陣列結(jié)構(gòu)具有其他結(jié)構(gòu)所不具有的性能：第一，電子流發(fā)射方向的一致性，高定向的陣列結(jié)構(gòu)可以做到高度的電子發(fā)射方向的統(tǒng)一性；第二，納米陣列的分布均勻性，能夠獲得高度的均勻的點(diǎn)子發(fā)射點(diǎn)，有利于發(fā)射電流的穩(wěn)定性及均勻性。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年，SiC納米材料的制備以及應(yīng)用發(fā)展的十分迅速。由于SiC本身的一些優(yōu)勢(shì)，以及不同形貌的微納米材料，使其在場(chǎng)發(fā)射顯示器、光電催化、光電探測(cè)器等器件應(yīng)用方面取得不錯(cuò)的研究成果和進(jìn)展。SiC的研究及應(yīng)用所面對(duì)的困難時(shí)如何大面積、低成本、高效率的制備和生產(chǎn)，在這幾種制備方法中，陽(yáng)極氧化法未來(lái)會(huì)實(shí)現(xiàn)大面積、高效率、可控性以及可重復(fù)性的生產(chǎn)，能夠?yàn)閷?shí)際的工業(yè)生產(chǎn)以及研究提供應(yīng)用。

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