SiC納米材料的制備及器件應用研究現狀

王瑋韜 陳春梅

摘 要：SiC具有良好的物理性能和穩定的化學性能。本文從SiC微納米材料的制備和器件應用展開綜合論述，SiC微納米材料被廣泛應用在光電催化、光電探測器、場發射顯示器等領域，是目前研究的必不可少的材料。

關鍵詞：SiC；制備；應用；綜述

中圖分類號：0646 文獻標識碼：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，化學穩定性好，高的熱導率等一系列的優點[1]。由于其材料本身具有的眾多優勢，能夠在顯微鏡、場發射顯示器、真空微電子器件等范圍內被廣泛應用[2]，這也是很多研究者對SiC納米材料如此熱衷的原因之一。現在大部分制備方法都比較成熟，當研究者能夠有效合成SiC時，會逐漸把興趣放在材料的應用方面。近幾年，微納米材料的應用非常迅速，研究者更是青睞于對SiC微納米材料應用的研究，Chong等人研究了SiC納米材料制備光電探測器件[3]，chen等人研究了SiC納米線的場發射性能[4]等。SiC微納米材料未來將成為主要的材料應用實際生活以及生產。

本文通過對SiC不同制備方法進行了論述，并對其在不同領域的應用闡述列舉，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℃的高溫下產生氧化還原反應，生成SiC納米線[5]；GIORCELLI 等人通過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空心微納米結構[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。靜電紡絲法有陰陽極兩端，加上電壓，使溶液從陽極發射到陰極，得到前驅體溶液，并進行固化高溫分解，得到理想的微納米材料。2011年，Hou等把PVP、PSN、無水乙醇以一定的比例混合，得到PVP/PSN前驅體混合溶液，以金屬針頭做陽極、鐵絲網做陰極、陰陽極之間的而距離為20cm，在14KV的高壓下進行靜電紡絲，得到PVP/PSN前驅體纖維，將得到的纖維進行固化以及高溫分解，最后得到SiC介孔纖維[7]。

2.3 陽極氧化法

Chen等人通過采用陽極氧化方法，并結合脈沖電源制備了SiC納米線陣列，通過脈沖電源控制氧化速度以及強度[4]。相比較這兩種制備方法，從陽極氧化制備SiC過程中，我們也能發現，孔是納米線產生的初始階段，隨著電壓的不斷加大以及氫氟酸溶液比例的增加，孔壁會不斷斷裂，最后形成納米線。陽極氧化法實現了在常壓常溫下制備SiC納米線的技術，克服了高溫高壓下材料合成的不穩定性以及不可控性，陽極氧化法還具有操作簡單、周期短等優點，為以后實現工業化生產打下良好的基礎。

3 SiC納米材料的應用

3.1 SiC應用在光電催化

閃鋅礦結構碳化硅（SiC）材料具有合適的帶隙、高的物理化學穩定性，耐酸堿腐蝕，且其導帶的氧化-還原電位較負，光生電子的還原能力強，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氫。Liao等人合成SiC-PEDOT/PSS薄膜，并作為催化劑進行光催化分解水制氫實驗，實驗得出：當PEDOT/PSS的質量分數為4.5 wt%時，復合光催化劑的制氫效率達到100.7 μmol g1 h1，而且經過15 h的循環制氫反應后依然保持良好的光解水制氫穩定性。由于光照射到復合催化劑時，SiC納米材料產生的空穴不斷大量遷移到PEDOT/PSS，導致電子-空穴對的分離，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性能。研究表明，當SiO2包覆層厚度達到10 nm時，Si C納米線產氫速率達到最大為2432 μL·g1·h1，并開始光解水性能循環測試，實驗進行20 h后產氫量并沒有明顯降低，說明此材料作為催化劑具有非常高的穩定性，可以歸納為SiO2包覆層能夠有效快速的捕捉電子，造成電子-空穴對的分離；同時SiO2包覆層有效的阻礙了SiC納米線的電子-空穴對的復合，有效的增強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， 研究發現，當電解偏電壓在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 光電探測器

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

3.3 場效應顯示器

SiC本身具有電子傳輸速度快，良好的穩定性等優勢，是制備場效應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，使得場效應晶體管的應用更廣泛。Chen等人制備準納米陣列，具有納米陣列的優勢，開啟電場相對一些雜亂無序的納米線，開啟電場是在降低，為1.9V/μm[4]；Wang等人制備的B摻雜的SiC納米線針狀陣列，并以此為場發射陰極材料進行場發射性能測試，常溫下陰陽極之間的距離為500μm時，開啟電場是1.92V/μm，在常溫和200℃時，連續測試8h，電流變化波動分別是6.5%和7.8%，相比較常溫下，高溫的穩定性并沒有明顯的變化，這是因為摻雜的B-C比Si-C穩定性好[11]。Chen等人制備的SiC納米線陣列長徑比大，并且納米線本身是葫蘆狀結構，以制備的4H-SiC納米線為陰極進行場發射性能測試，更多的電子從陰極發射到陽極，產生的發射電流密度比較大以及開啟電壓（0.95V/μm）較低，具有優異的場發射性能[4]。高定向的陣列結構具有其他結構所不具有的性能：第一，電子流發射方向的一致性，高定向的陣列結構可以做到高度的電子發射方向的統一性；第二，納米陣列的分布均勻性，能夠獲得高度的均勻的點子發射點，有利于發射電流的穩定性及均勻性。

4 結語

近幾年，SiC納米材料的制備以及應用發展的十分迅速。由于SiC本身的一些優勢，以及不同形貌的微納米材料，使其在場發射顯示器、光電催化、光電探測器等器件應用方面取得不錯的研究成果和進展。SiC的研究及應用所面對的困難時如何大面積、低成本、高效率的制備和生產，在這幾種制備方法中，陽極氧化法未來會實現大面積、高效率、可控性以及可重復性的生產，能夠為實際的工業生產以及研究提供應用。

參考文獻：

[1] Choyke W， Pensl G. Physical properties of Si C. Mrs Bulletin， 1997， 22（03）： 25-29.

[2] De Heer W A， Chatelain A， Ugarte D. A carbon nanotube field-emission electron source. Science， 1995， 270（5239）： 1179-1181.

[3] Chong H， Yang H， Yang W， et al. SiC Nanowire Film Photodetectors： A Promising Candidate Toward High Temperature Photodetectors. Journal of nanoscience and nanotechnology， 2016， 16（4）： 3796-3801.

[4] Chen C， Chen S， Shang M， et al. Fabrication of highly oriented 4H-SiC gourd-shaped nanowire arrays and their field emission properties. Journal of Materials Chemistry C， 2016， 4（23）： 5195-5201.

[5] Zhou D， Seraphin S. Production of silicon carbide whiskers from carbon nanoclusters. Chemical Physics Letters， 1994， 222 （3）： 233-238.

[6] Giorcelli M， Pavese M， Shahzad M I， et al. Silicon carbide hollow cylinders using carbon nanotubes structures as template. Materials Letters， 2015， 151： 12-15.

[7] HOU H， GAO F， WEI G， ET AL. ELECTROSPINNING 3 C-SIC MESOPOROUS FIBERS WITH HIGH PURITIES AND WELL-CONTROLLED STRUCTURES. CRYSTAL GROWTH & DESIGN， 2011， 12（1）： 536-539.

[8] Liao X， Liu Z， Ding L， et al. Photoelectrocatalytic activity of flexible PEDOT-PSS/silicon carbide nanowire films. RSC Advances， 2015， 5： 99143-99147.

[9] Wang M M， Chen J J， Liao X， et al. Highly efficient photocatalytic hydrogen production of platinum nanoparticle-decorated Si C nanowires under simulated sunlight irradiation. International Journal of Hydrogen Energy， 2014， 39（27）： 14581-14587.

[10]余潔意，黃昊，高見，等. 直流電弧等離子體制備納米SiC及其催化特性. 無機材料學報， 2017 ， 32 （4） ：351-356.

[11]WANG L， WEI G， GAO F， ET AL. HIGH-TEMPERATURE STABLE FIELD EMISSION OF B-DOPED SIC NANONEEDLE ARRAYS. NANOSCALE， 2015， 7（17）： 7585-7592.