金属硅化物熔体中不同形貌碳化硅晶体的生长研究

摘要

碳化硅(SiC)半导体材料是继第一代元素半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料之一.由于SiC材料有着优异的物理化学性能,SiC体单晶和SiC一维纳米材料在光学和电子学器件等方面有着巨大的应用潜力,尤其适合于在高温、高辐射等恶劣环境下工作的电子器件的制造.利用金属硅化物熔体作助溶剂,以合成不同形貌SiC晶体的研究为主题,将论文分为两部分:第一部分主要研究了SiC单晶在金属硅化物熔体中的形核及生长过程,第二部分主要研究了溶剂法SiC一维纳米材料的合成、显微结构及性能. 采用两种实验方法研究SiC单晶在熔体中的生长:金属硅化物熔体在SiC粉体预制件中的自发熔渗法和石墨坩锅作碳源、金属硅化物作助溶剂的液相生长法.熔渗法研究结果表明:Fe<,x>Si<,y>(FeSi,Fe<,3>Si,Fe<,5>Si<,3>)熔体能很好的浸渗SiC预制件,复合材料的弯曲强度和显微硬度都高于相应金属硅化物的强度和硬度.更为重要的是,随着SiC颗粒度的减小,微细SiC颗粒(<0.5μm)在部分熔体中的溶解和析出趋势更甚,导致SiC颗粒烧结长大甚至是SiC单晶的生长.强烈意味着FexSiy可以成为液相法生长SiC单晶的助溶剂.因为发现Fe<,3>Si熔体熔渗后有石墨析出的现象,为弄清适合SiC单晶生长的Fe-Si熔体成分,对1600℃时Fe-Si-C三元等温相图做了定量分析.结果表明Fe-Si熔体的硅含量等于27mol﹪是临界点,当硅含量小于0.27时,有石墨沉积,反之只有SiC析出.结合熔渗实验结果,初步确定Fe<,5>Si<,3>熔体比较适合SiC的析晶和长大.在上述研究基础上,用硅含量大于27mol﹪的Fe<,5>Si<,3>、FeSi和FeSi<,2>熔体做助溶剂,石墨坩锅作碳源,开展液相法SiC单晶生长研究.研究表明Fe-Si化合物熔体能溶解足够的C并有SiC晶体从熔体中析出.这些事实都证明了Fe-Si(硅含量大于27mol﹪)熔体有适当的碳溶解度并且适合SiC晶体的形核和生长.对Co<,x>Si<,y>(CoSi、Co<,2>Si、CoSi2)化合物熔体做类似的实验表明,仅有CoSi能自发熔渗SiC预制件并且在预制件复合材料中得到了约0.5mm的SiC晶体颗粒,晶体最大生长速率为120μm/h.Co<,2>Si、CoSi<,2>不能自发熔渗SiC预制件并且在这两种合金化合物的液相生长实验中也很难发现SiC晶体颗粒.在CoSi合金中添加10﹪原子比的Cr能提高C在熔体中的溶解度,同种条件下生长的SiC晶体颗粒尺寸变大,从而验证了硅熔体中添加4f层电子数小的金属能提高C在熔体中的溶解度的说法.经实验验证TiSi化合物熔体中当Si含量为77﹪原子比时最适合SiC晶体的生长. 在熔体中生长的SiC晶体,经XRD分析基本上都是具有闪锌矿结构的3C.SiC(β-SiC)并伴有少量的6H-SiC,一般认为这是晶体中存在的层错或寄生相等缺陷造成的.Raman分析确认各熔体中所生长的SiC晶体为3C-SiC,晶体存在一定程度的层错等缺陷并且晶体中的载流子浓度很大(这里认为是晶体中含有高浓度的金属元素掺杂).根据所得SiC晶体的形貌和晶体生长理论,论文认为在熔体中SiC晶体是按照多二维晶核生长方式生长的,并建立了SiC多二维晶核生长模型. 在液相法SiC晶体生长的研究过程中,发现气氛中有微量氧存在时,熔体表面有SiC纳米线生成.鉴于这一重要事实,论文第二部分展开利用简单气相反应法制备SiC纳米线及带有非晶SiO<,2>包敷的SiC/SiO<,2>纳米电缆的研究.实验以金属硅化物为原料,石墨板为碳源,在Fe-Si、Ni-Si化合物体系的熔点以上温度,几乎都能在化合物颗粒的表层发现SiC纳米线.并且随着处理温度的升高和保温时间的延长,所形成SiC纳米线的直径有增大的趋势.由于Ni-Si化合物跟石墨的浸润性较差,在仅比化合物熔点高出小于200℃的温度区域内,Ni-Si化合物熔体不能在石墨板上熔敷而是形成合金熔球,最后在熔球表面上生长出SiC纳米线形成形状独特的SiC纳米线绒球.在降温阶段,由于SiO和CO反应形成的SiO<,2>在SiC纳米线表面沉积最终得到由SiO<,2>包敷的SiC/SiO<,2>纳米电缆结构. 在金属硅化物液态膜表面形成的SiC纳米线,经XRD,SEM,TEM和Raman分析表明:纳米线亦为具有闪锌矿结构的3C-SiC,纳米线的截面形貌有圆形和六方形,形成的SiC纳米线为单晶结构,但部分具有层错等缺陷.根据纳米线端部有合金球的典型形貌,论文提出了固-液-固(Solid-Liquid-Solid,SLS)形核和气一液.固(Vapor-Liquid.Solid,VLS)生长的联合生长机理.首先石墨板上的碳溶解于熔体中并与Si结合形成SiC晶核,即SLS形核阶段;由于SiC的密度小于熔体的密度,SiC晶核上浮至熔体膜的表面,并将熔体推出,形成核上方的液滴.炉内的含氧气氛(SiO、CO)被该液滴吸附,在Fe或Ni的催化作用下反应形成SiC,并在先形成的晶核上沉积,实现SiC纳米线的生长,即VLS生长阶段.其中金属元素(Fe和Ni)有提高熔体的碳溶解度和催化的双重作用. 采用热蒸发法,以相互隔离的纯硅粉和碳黑粉为原料,在反应温度为1470℃保温1～9小时的实验中,得到了SiC纳米棒.随着反应时间的延长,硅蒸气逐渐与碳黑颗粒充分反应形成SiC,其形状从最初的颗粒状,无序短棒状结构或团聚块体,逐渐演变为长且直的纳米棒,甚至为六棱柱状结构.用XRD、IR、SEM和 TEM等对SiC纳米棒进行表征,并提出了SiC纳米棒的气-固(Vapor-Solid,VS)生长机理,即硅蒸气与碳黑直接反应形成SiC纳米棒.

目录

文摘

英文文摘

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第一章绪论

1.1 SiC单晶的发展历史

1.2 SiC单晶的结构和性质

1.2.1 SiC单晶的结构

1.2.2 SiC单晶的性质

1.3 SiC晶体材料的生长技术

1.3.1 Acheson法和Lely法

1.3.2物理气相传输法

1.3.3外延生长技术

1.4课题的提出

1.5研究内容

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第二章实验方法

2.1原始材料

2.2实验设备

2.3金属硅化物的配制

2.4实验方法

2.4.1自发熔渗法

2.4.2高温助溶剂法

2.5测试方法

2.5.1 X射线衍射分析

2.5.2形貌分析

2.5.3 Raman分析

2.5.4光致发光光谱分析

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第三章Fe-Si化合物熔体中SiC晶体生长研究

3.1引言

3.2自发熔渗实验

3.2.1自发熔渗实验的准备

3.2.2性能测试和表征

3.2.3结果与讨论

3.3高温助溶剂法晶体生长实验

3.3.1形貌分析

3.3.2 XRD分析

3.3.3 Raman分析

3.4本章小结

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第四章Co-Si化合物熔体中SiC晶体生长研究

4.1引言

4.2熔体自发浸渗实验

4.2.1相成分分析

4.2.2形貌分析

4.3助溶剂法晶体生长实验

4.3.1形貌分析

4.3.2添加Cr对SiC析晶的影响

4.4熔体中SiC析晶的相图分析

4.5不同体系生长速率的比较

4.6 Raman分析

4.7本章小结

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第五章Ti-Si化合物熔体中SiC晶体生长研究

5.1引言

5.2实验

5.3结果与讨论

5.3.1 XRD分析

5.3.2形貌分析

5.3.3 Raman分析

5.3.4 PL谱分析

5.4本章小结

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第六章晶核长大及微管形成的动力学研究

6.1晶核形成及长大的动力学研究

6.2SiC晶体中微管的形成机理分析

6.3本章小结

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 第七章总结

7.1 Fe-Si化合物熔体中SiC的析晶情况

7.2 Co-Si化合物熔体中SiC的析晶情况

7.3 Ti-Si化合物熔体中SiC的析晶情况

7.4展望

第一部分助溶剂法SiC单晶的生长研究 参考文献

第二部分SiC一维纳米材料的制备研究 第八章SiC纳米技术综述

8.1纳米材料的发展

8.2纳米材料的特性

8.2.1量子尺寸效应

8.2.2小尺寸效应

8.2.3表面效应

8.2.4宏观量子隧道效应

8.3 SiC纳米晶须、纳米线的发展

8.4 SiC一维纳米材料的生长机制

8.4.1气-液-固生长机制

8.4.2气-固生长机制

8.5本课题的提出及研究内容

第二部分SiC一维纳米材料的制备研究 第九章金属硅化物熔体中SiC纳米材料的生长研究

9.1引言

9.2实验方案及分析方法

9.2.1实验方案

9.2.2分析方法

9.3方案(一)结果及分析

9.3.1产物的形貌分析

9.3.2产物的成分分析

9.3.3透射电镜分析

9.4方案(二)结果及分析

9.4.1 FeSi 体系

9.4.2 Ni-Si 体系

9.5生长机理分析

9.6两种实验方案的比较

9.7本章小结

第二部分SiC一维纳米材料的制备研究 第十章热蒸发法SiC纳米棒的制备

10.1引言

10.2实验

10.3实验结果及分析

10.3.1 XRD分析

10.3.2 SEM形貌分析

10.3.3 TEM分析

10.3.4生长机理分析

10.3.5 Raman分析

10.3.6光致发光光谱分析

10.4本章小结

第二部分SiC一维纳米材料的制备研究 第十一章总结与展望

11.1总结

11.2展望

第二部分SiC一维纳米材料的制备研究 参考文献

攻博期间发表及待发表的论文、专利

致谢