电化学刻蚀4H-SiC纳米阵列及其光电催化特性

摘要

SiC是第三代半导体材料，具有高临界击穿电场、高热导率、高电子饱和迁移率以及良好的化学稳定性等，在研发高温高压大功率等苛刻环境下服役的光电器件具有显著优势。SiC低维材料具有独特的表面效应和尺寸效应，展现出了远优于传统材料的物性，且能够推动其器件的微型化和集成化，为新颖高效的新一代光电器件研发提供了契机。 本论文通过电化学刻蚀SiC晶片，在常温常压下实现了高定向、透明的4H-SiC纳米结构阵列制备及其结构调控，以此为基础，探索了其在光电催化剂领域的应用。综合本论文工作，取得主要研究成果如下： （1）采用电化学刻蚀法，在常温常压下实现了SiC纳米阵列的可控制备。通过调控刻蚀时间，能够实现纳米孔的直径、壁厚和深度的有效调控。 （2）探索了SiC纳米阵列在光电催化领域的应用。研究表明，SiC纳米阵列在1 mol/L Na2SO4的溶液中、1 V(参比电极Ag/AgCl)偏压和光照激发（模拟太阳光和光功率100 mW cm-2）下，光电流密度可达1 mA cm-2，2000 s持续光照电流密度始终保持不变，表现出良好的光电催化稳定性。 （3）进一步采用原子层沉积（ALD）技术对SiC纳米阵列进行表面修饰构建异质结（SiC@TiO2）。研究表明，在1 mol/L Na2SO4的电解液中，SiC@TiO2纳米阵列在1 V(参比电极Ag/AgCl)的偏压下电流密度为1.7 mA cm-2，相比SiC纳米阵列电极的光电流密度提高了70%。暗态电流几乎为零，再次光照时电极的光电流密度迅速恢复到1.7 mA cm-2，表明SiC@TiO2纳米阵列具有快速的响应速度。同时相比SiC纳米阵列，SiC@TiO2异质结纳米阵列展现出更小的阻抗，说明表明通过异质结的构筑能够强化SiC光阳极载流子的分离与输运。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纳米材料特性

1.2.1 小尺寸效应

1.2.2 量子尺寸效应

1.2.3 宏观量子隧道效应

1.2.4 表面效应

1.2.5 库伦阻塞效应

1.3 SiC基本特性

1.4 SiC低维纳米材料的制备方法

1.4.1 高温热解法

1.4.2 模板法

1.4.3 溶胶凝胶法

1.4.4 水热/溶剂热法

1.4.5 化学气相沉积法

1.4.6 静电纺丝法

1.4.7 电化学刻蚀法

1.5 SiC低维纳米材料的应用

1.5.1 场发射阴极材料应用

1.5.2 光电探测器

1.5.3 光/光电催化剂

1.5.4 超级电容器

1.6 原子层沉积系统

1.6.1 原子层沉积技术发展与应用

1.6.2 原子层沉积原理

1.6.3 原子层沉积生长方式

1.6.4 原子层沉积技术特点

1.7 选题背景与意义

第二章 主要研究内容、实验方案及分析方法

2.1 主要研究内容

2.1.1电化学刻蚀工艺对于4H-SiC纳米阵列形貌的影响

2.1.2 4H-SiC纳米阵列光电催化性能研究

2.1.3 TiO2修饰SiC纳米阵列及其光电催化性能

2.1.4 本论文的主要创新点

2.2 实验方案

2.2.1 实验原料

2.2.2 实验设备

2.3 材料结构表征与分析

2.3.1 材料表征

2.4 性能测试

2.4.1 电流密度?电压曲线（I?V曲线）

2.4.2 光电流密度?时间曲线（I-T曲线）

2.4.3 光?电转化效率（IPCE）

2.4.4 电化学阻抗（EIS）

第三章 4H-SiC纳米结构阵列制备及其表征

3.1 引言

3.2 实验方案

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 4H-SiC纳米阵列结构表征

3.3.2 刻蚀电压对4H-SiC纳米阵列形貌影响

3.3.3 电解液成分对4H-SiC纳米阵列形貌影响

3.3.4 循环次数对4H-SiC纳米阵列形貌影响

3.4 本章小结

第四章 SiC纳米阵列光电催化特性

4.1 引言

4.2 实验方案

4.2.1 SiC纳米阵列光电极制备

4.2.2 SiC纳米结构阵列光电催化性能检测

4.3 实验结果与讨论

4.3.1 SiC纳米阵列光电极结构表征与分析

4.4.1 SiC纳米阵列光电催化特性测试与分析

4.4 本章小结

第五章 SiC@TiO2异质结纳米阵列光电催化性能

5.1 引言

5.2 实验方案

5.2.1 ALD构建SiC@TiO2异质结纳米阵列

5.3 结果与讨论

5.3.1 SiC@TiO2异质结纳米阵列结构表征与分析

5.3.2 SiC@TiO2异质结纳米阵列光电催化性能测试与分析

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致 谢

攻读硕士期间发表的学术论文