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(fā)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(wěn)定性好，高的熱導率等一系列的優(yōu)點[1]。由于其材料本身具有的眾多優(yōu)勢，能夠在顯微鏡、場發(fā)射顯示器、真空微電子器件等范圍內(nèi)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?，F(xiàn)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(fā)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(chǎn)。

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(chǎn)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(jié)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(fā)射到陰極，得到前驅(qū)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(qū)體混合溶液，以金屬針頭做陽極、鐵絲網(wǎng)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(qū)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(jié)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(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，孔壁會不斷斷裂，最后形成納米線。陽極氧化法實現(xiàn)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(wěn)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(yōu)點，為以后實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)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(jié)構碳化硅（SiC）材料具有合適的帶隙、高的物理化學穩(wěn)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(chǎn)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(zhì)量分數(shù)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(jīng)過15 h的循環(huán)制氫反應后依然保持良好的光解水制氫穩(wěn)定性。由于光照射到復合催化劑時，SiC納米材料產(chǎn)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(chǎn)氫速率達到最大為2432 μL·g1·h1，并開始光解水性能循環(huán)測試，實驗進行20 h后產(chǎn)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(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(fā)現(xiàn)，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(jié)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(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)應用在實際生產(chǎn)。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(wěn)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(wěn)定性等優(yōu)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(yōu)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(fā)射陰極材料進行場發(fā)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(xù)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(wěn)定性并沒有明顯的變化，這是因為摻雜的B-C比Si-C穩(wěn)定性好[11]。Chen等人制備的SiC納米線陣列長徑比大，并且納米線本身是葫蘆狀結(jié)構，以制備的4H-SiC納米線為陰極進行場發(fā)射性能測試，更多的電子從陰極發(fā)射到陽極，產(chǎn)生的發(fā)射電流密度比較大以及開啟電壓（0.95V/μm）較低，具有優(yōu)異的場發(fā)射性能[4]。高定向的陣列結(jié)構具有其他結(jié)構所不具有的性能：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子發(fā)射點，有利于發(fā)射電流的穩(wěn)定性及均勻性。

4 結(jié)語

近幾年，SiC納米材料的制備以及應用發(fā)展的十分迅速。由于SiC本身的一些優(yōu)勢，以及不同形貌的微納米材料，使其在場發(fā)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(chǎn)，在這幾種制備方法中，陽極氧化法未來會實現(xiàn)大面積、高效率、可控性以及可重復性的生產(chǎn)，能夠為實際的工業(yè)生產(chǎn)以及研究提供應用。

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