SiC纳米材料的制备及器件应用研究现状

王玮韬 陈春梅

摘 要：SiC具有良好的物理性能和稳定的化学性能。本文从SiC微纳米材料的制备和器件应用展开综合论述，SiC微纳米材料被广泛应用在光电催化、光电探测器、场发射显示器等领域，是目前研究的必不可少的材料。

关键词：SiC；制备；应用；综述

中图分类号：0646 文献标识码：A

1 研究背景

SiC纳米材料的具有比较宽的带隙（2.4～3.2ev），电子迁移率比较快，化学稳定性好，高的热导率等一系列的优点[1]。由于其材料本身具有的众多优势，能够在显微镜、场发射显示器、真空微电子器件等范围内被广泛应用[2]，这也是很多研究者对SiC纳米材料如此热衷的原因之一。现在大部分制备方法都比较成熟，当研究者能够有效合成SiC时，会逐渐把兴趣放在材料的应用方面。近几年，微纳米材料的应用非常迅速，研究者更是青睐于对SiC微纳米材料应用的研究，Chong等人研究了SiC纳米材料制备光电探测器件[3]，chen等人研究了SiC纳米线的场发射性能[4]等。SiC微纳米材料未来将成为主要的材料应用实际生活以及生产。

本文通过对SiC不同制备方法进行了论述，并对其在不同领域的应用阐述列举，为研究者提供了支持。

2 SiC制备方法

2.1 模板法

早期zhou等人采用模板法，以碳纳米管为模板，与SiO在1700℃的高温下产生氧化还原反应，生成SiC纳米线[5]；GIORCELLI 等人通过气相沉积法合成了碳纳米管，Si粉末作为硅源，通惰性气体1380℃和1700℃各保温4h和30min，合成制备了SiC空心微纳米结构[6]。

2.2 静电纺丝法

静电纺丝法逐渐成熟，很多研究者采用此方法制备SiC微纳米材料。静电纺丝法有阴阳极两端，加上电压，使溶液从阳极发射到阴极，得到前驱体溶液，并进行固化高温分解，得到理想的微纳米材料。2011年，Hou等把PVP、PSN、无水乙醇以一定的比例混合，得到PVP/PSN前驱体混合溶液，以金属针头做阳极、铁丝网做阴极、阴阳极之间的而距离为20cm，在14KV的高压下进行静电纺丝，得到PVP/PSN前驱体纤维，将得到的纤维进行固化以及高温分解，最后得到SiC介孔纤维[7]。

2.3 阳极氧化法

Chen等人通过采用阳极氧化方法，并结合脉冲电源制备了SiC纳米线阵列，通过脉冲电源控制氧化速度以及强度[4]。相比较这两种制备方法，从阳极氧化制备SiC过程中，我们也能发现，孔是纳米线产生的初始阶段，随着电压的不断加大以及氢氟酸溶液比例的增加，孔壁会不断断裂，最后形成纳米线。阳极氧化法实现了在常压常温下制备SiC纳米线的技术，克服了高温高压下材料合成的不稳定性以及不可控性，阳极氧化法还具有操作简单、周期短等优点，为以后实现工业化生产打下良好的基础。

3 SiC纳米材料的应用

3.1 SiC应用在光电催化

闪锌矿结构碳化硅（SiC）材料具有合适的带隙、高的物理化学稳定性，耐酸碱腐蚀，且其导带的氧化-还原电位较负，光生电子的还原能力强，是一种新型光电催化分解水制氢催化剂。SiC 禁带宽度比较大， 價带能位置比较高，光生电子具有足够的能力还原 H+， 因此SiC被大量研究于光电催化分解水产氢。Liao等人合成SiC-PEDOT/PSS薄膜，并作为催化剂进行光催化分解水制氢实验，实验得出：当PEDOT/PSS的质量分数为4.5 wt%时，复合光催化剂的制氢效率达到100.7 μmol g1 h1，而且经过15 h的循环制氢反应后依然保持良好的光解水制氢稳定性。由于光照射到复合催化剂时，SiC纳米材料产生的空穴不断大量迁移到PEDOT/PSS，导致电子-空穴对的分离，从而使效率提高[8]。Wang等人研究了SiO2/SiC纳米线光催化分解水性能及光电化学性能。研究表明，当SiO2包覆层厚度达到10 nm时，Si C纳米线产氢速率达到最大为2432 μL·g1·h1，并开始光解水性能循环测试，实验进行20 h后产氢量并没有明显降低，说明此材料作为催化剂具有非常高的稳定性，可以归纳为SiO2包覆层能够有效快速的捕捉电子，造成电子-空穴对的分离；同时SiO2包覆层有效的阻碍了SiC纳米线的电子-空穴对的复合，有效的增强SiC纳米线作为催化剂光解水的效率[9]。Yu等人等人合成了SiC纳米材料，电催化和光电催化去除难降解的2，4-DCP， 研究发现，当电解偏电压在1.02V、光电催化180min后，SiC-0.01 的光电催化效率能够达到 92.5%， 表明其具有很好的光电催化还原脱氯性能[10]。

3.2 光电探测器

在半导体化合物中，碳化硅是一种不可或缺的光电材料。极强的原子键结合力和高电子迁移率使它具有绝佳的光电和机械性能，这使得碳化硅成为高速光电子器件的研究热点。此外，由于 SiC的禁带宽度为 2.3-3.3 eV，它非常适合进行紫外光和蓝光的探测。Chong等人制备的3C-SiC单根纳米线，通过光电探测器件测试，光响应的上升时间和下降时间非常短，分别是0.2s和0.09s；在5.0v的偏压和420nm的蓝光光照下，较高的光谱响应度（Ri）和外量子效率（EQE），其Ri和EQE分别是3.3×106A/W和9.7×108%，其光电探测器件可以在200℃的高温下进行光探测[3]。实验研究表明，研制的光电探测器件具有良好的灵敏度、响应度以及稳定性，能够实现应用在实际生产。以4H-SiC为基础制备的光电探测器件，用250nm和0.2mw/cm2的光照，得到的光电流为55μA，并能够在300℃高温下进行光电探测，而且具有稳定性和可重复性。

3.3 场效应显示器

SiC本身具有电子传输速度快，良好的稳定性等优势，是制备场效应晶体管的最佳候选材料之一。目前SiC纳米线以及纳米线阵列的制备，使得场效应晶体管的应用更广泛。Chen等人制备准纳米阵列，具有纳米阵列的优势，开启电场相对一些杂乱无序的纳米线，开启电场是在降低，为1.9V/μm[4]；Wang等人制备的B掺杂的SiC纳米线针状阵列，并以此为场发射阴极材料进行场发射性能测试，常温下阴阳极之间的距离为500μm时，开启电场是1.92V/μm，在常温和200℃时，连续测试8h，电流变化波动分别是6.5%和7.8%，相比较常温下，高温的稳定性并没有明显的变化，这是因为掺杂的B-C比Si-C稳定性好[11]。Chen等人制备的SiC纳米线阵列长径比大，并且纳米线本身是葫芦状结构，以制备的4H-SiC纳米线为阴极进行场发射性能测试，更多的电子从阴极发射到阳极，产生的发射电流密度比较大以及开启电压（0.95V/μm）较低，具有优异的场发射性能[4]。高定向的阵列结构具有其他结构所不具有的性能：第一，电子流发射方向的一致性，高定向的阵列结构可以做到高度的电子发射方向的统一性；第二，纳米阵列的分布均匀性，能够获得高度的均匀的点子发射点，有利于发射电流的稳定性及均匀性。

4 结语

近几年，SiC纳米材料的制备以及应用发展的十分迅速。由于SiC本身的一些优势，以及不同形貌的微纳米材料，使其在场发射显示器、光电催化、光电探测器等器件应用方面取得不错的研究成果和进展。SiC的研究及应用所面对的困难时如何大面积、低成本、高效率的制备和生产，在这几种制备方法中，阳极氧化法未来会实现大面积、高效率、可控性以及可重复性的生产，能够为实际的工业生产以及研究提供应用。

参考文献：

[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，黄昊，高见，等. 直流电弧等离子体制备纳米SiC及其催化特性. 无机材料学报， 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.