摘碳化硅（Si）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好、臨界擊穿場強(qiáng)和熱導(dǎo)率高等優(yōu)點，因而有望在高溫、高頻電子器件制造中發(fā)揮SiC的納米化則有可能在其體材料性能的基礎(chǔ)上，獲得新的或增（Si-是一種硅的微米-它兼具規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)特征和納米多孔結(jié)構(gòu)特征，因而是一種理想的納米體系組以Si-A米SiCSi/Si-NA復(fù)合納米SiC的相關(guān)物理性能，而且有利于基于此的器件集成。-ASiC納米晶（nc-SiC）和SiC納米（nw-SiC分別了nc-SiC/Si-NPA和nw-SiC/Si-NPA一．了nc-SiC/Si-NPA和nw-SiC/Si-NPA兩種復(fù)合納米體系，并對相關(guān)的nc-SiC/Si-NPAnc-SiC薄nw-SiC20-40nm、長度范圍數(shù)百至nc-SiC/Si-NPAI-V特性曲線，并對其載流子傳輸機(jī)I-V5.0V時，正向電流密度為~105mAcm-25.0V的反向電壓時，其反向流密度為~30mAcm-2，nc-SiC/Si-NPAnc-SiC/Si-NPA中多子的傳輸機(jī)制發(fā)生一個由缺陷到隧穿的轉(zhuǎn)變；而少子的輸運其發(fā)射電流密度達(dá)到4Acm2~0-SiC/SiN優(yōu)異的場發(fā)射性能主要得益于n-Si較大的長徑比和Si-表面規(guī)則的結(jié)構(gòu)起伏。前者可以有效增加納米線前端的場強(qiáng)，而后者則不僅能夠增加場發(fā)射點的數(shù)量，同時還可以有效地降低發(fā)射點之間的電場效應(yīng)。四．測量了nw-SiC/Si-NPA的光致發(fā)光（PL）性能，分析了相應(yīng)的發(fā)光機(jī)300nmnw-SiC/Si-NPAPL譜是一個411.6nmSiCSiC納米晶粒。478.4nmβSiC375.4nm的發(fā)光峰則來自于nw-SiC表面氧化層中的氧空位。五．測量了nciA和n-SiC/Si-A對2S氣體的響應(yīng)特性，分析了相應(yīng)的傳感機(jī)理。實驗結(jié)果表明，隨2S氣體濃度增加（0–1200ppm，nc/-A和n-Si/Si-A均表現(xiàn)電容單調(diào)增加、電阻單調(diào)降低的行為，二1.8、2.2in4.0、3.6in3002502具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。nc-SiC/Si-NPAnw-SiC/Si-NPA對濕度的響應(yīng)特性，分析了相應(yīng)的濕度傳感機(jī)制。實驗結(jié)果表明，nc-SiC/Si-NPAnw-SiC/Si-NPA響應(yīng)靈敏100Hz11%95%,二者的電容增量分別10s和100、150s。陣列結(jié)構(gòu)為氣體的傳輸提供了通道，從而有利于氣體的吸碳化硅（SiC）（Si-NPA）SiC/Si-NPA整流特性場發(fā)射光致發(fā)光氣體傳感器Siliconcarbide(SiC)isawidegapsemiconductorandpossessesthemeritsofgoodchemicalandthermalstabilities,highbreakdownfieldandhighthermalconductivity.Therefore,SiChasgreatpotentialinfabricatinghigh-temperatureandhigh-frequencydevices.Moreover,nanostructuredSiCislikelytoobtainsomenewandenhancedphysicalproperties.Siliconnanoporouspillararray(Si-NPA)isasiliconmaterialwithuniquenanometer-micronhierarchystructure.TheregularpillararrayandthedenselydistributednanoporesoneverypillarmakeSi-NPAapromisingtemteandsubstratematerialfornanoscalecompositesystem.TheSiC/Si-NPAcompositesystemfabricatedbygrowingSiCnanomaterialsonSi-NPAsubstratenotonlyenhancedthephysicalpropertiesofSiC,butalsoeasetheintegrationbasedonit.Inthisdissertation,byusingthemethodsofthermalcarbonizationandchemicalvaporwerefabricatedbygrowingnanocrystals(nc-SiC)andSiCnanowires(nw-SiC)onSi-NPA,respectively.Therectifyingcharacteristic,thefield-emission,thephotoluminescenceandthegassensingpropertiesofSiC/Si-NPAcompositesystemswerestudied.ThemainresultsachievedinthispaperarelistedasThenc-SiC/Si-NPAandnw-SiC/Si-NPAsystemswerefabricatedandtheexperimentalconditionhasbeenoptimized.Byusingthethermalcarbonizationmethod,thesurfaceofSi-NPAcouldbecarbonizeddirectlyandannc-SiClayerwasformedonSi-NPA.As-grownnc-SiChasthecubiccrystalstructure,andtheaveragediameterwasestimatedtobe~45nm.Thethicknessofthenc-SiClayerwas~200nm.Byusingthechemicalvapordeposition(CVD)method,hugeamountsofnw-SiCweregrownonSi-NPAandthenw-SiC/Si-NPAcompositesystemwasformed.Thecrystalstructureofnw-SiCwasalsocubic,andtheevaluateddiameterandlengthofnw-SiCwere10~40nmandhundredsofnanometerstomicrons,respectively.As-fabricatednw-SiCconsistedoflotsofdefects.I-Vpropertiesofnc-SiC/Si-NPAweremeasuredandthecorrespondingchargetransportmechanismswereyzed.Throughevaporatingsilverelectrodesonthebothsides,theI-Vcurvesofnc-SiC/Si-NPAweremeasuredatroomtemperature.Here,aforwardcurrentdensityof~105mAcm-2at5.0Vandaleakagecurrentof30mAcm-2at-5.0Vwereobtained,andthisindicatedtherectificationpropertyofnc-SiC/Si-NPA.ByfittingandyzingthelnJ-Vcurves,itcouldbeprovedthatthemajoritycarriertransportmechanismchangedfromDefect-state binationtoTunnelingwiththeforward-biasincrement;thetransportbehavioroftheminoritycarrierfollowedthemulti-stepTunnelingmechanism.Basedonthechargetransportcharacteristicsinnc-SiC/Si-NPA,itcouldbededucedthatthereexistsanabruptheterojunctionbetweennc-SiCandSi-NPA,andasharpdepletionregionhasbeenformednearthejunction.Thefield-emissionofnw-SiC/Si-NPAwasdetectedandtheemittingtraitsoftheelectronswerestudied.Theexperimentalresultsshowedthatalowturn-onfieldof2.9Vμm-1wasobtainedfromnw-SiC/Si-NPA;atanelectricfieldof4.0Vμm-1,thecurrentdensitywas0.24mAcm-2.Theenhancementfactorwascalculatedtobe5200accordingtotheFowler–Nordheimtheory.Theexcellentfieldemissionperformancesofnw-SiC/Si-NPAwereattributedtothehighaspectratioofnw-SiCandtheregularsurfaceundulationofSi-NPA.Highaspectratioenhancedtheelectricfielddrasticallyatthetipofthenanowires,andtheregularsurfaceundulationofSi-NPAnotonlyincreasedtheamountsoftheemitters,butalsoreducedtheelectrostaticshieldingeffectivelyamongtheemitters.Thephotoluminescence(PL)ofnw-SiC/Si-NPAwerestudiedandtheoriginofluminescencewasexined.Whennw-SiC/Si-NPAwasexcitedby300nmwavelengthultravioletlight,awideblue-lightspectrumwithtwoshoulderswasobtainedatroom-temperature.ThreeGaussianFittedspectralocatedat375.4nm、411.6nmand478.4nmwereattributedtothestructuralandcharacteristicsonthesurfaceofnw-SiC/Si-NPA.ItwasjudgedthatthemajorPLpeakedat411.6nmcamefromtheSiCnanocrystalsinnw-SiC,thePLpeakedat478.4nmoriginatedfromtheintrinsicphotoemissionofβ-SiC,andthePLat375.4nmwasattributedtotheoxygenvacancyexistedatthesurfaceofnw-SiC.Thesensingpropertiesofnc-SiC/Si-NPAandnw-SiC/Si-NPAtoH2Sgasweremeasuredandrelatedsensingmechanismswerestudied.Theexperimentalresultsshowedthatthecapacitancesofthetwosensorsincreasedwiththeincrementofthegasconcentration(0to1200ppm)whilethesdecreased.Theresponseandrecoverytimesofthenc-SiC/Si-NPAandnw-SiC/Si-NPAwereabout1.8,2.2minutesand4.0,3.6minutes,respectively.Andthetemperaturesofnc-SiC/Si-NPAandnw-SiC/Si-NPAwithhighestsensitivitieswere300℃and250℃,respectively.Duringthecyclingmeasurements,boththetwosystemsshowedhighstability.Theroomtemperaturecapacitivehumiditysensingpropertiesofnc-SiC/Si-NPAandnw-SiCweremeasuredandthehumiditysensingmechanismwasyzed.Withtheincrementofthemeasurementfrequencies,theresponsesensitivitiesofnc-SiC/Si-NPAandnw-SiCdecreasedandthisresultindicatedthatthecapacitiveresponsestohumidityofthesensorshadhighdependencetothefrequencies.Highdeviceresponsesof750%and1059%wereachievedbync-SiC/Si-NPAandnw-SiCwiththerelativehumidity(RH)changingfrom11%to95%.Theresponseandrecoverytimeofnc-SiC/Si-NPAwerebothmeasuredtobe10s,whiletheresponseandrecoverytimeofnw-SiCwere150sand100s,respectively.TheuniquepillararraystructureofSi-NPAhasprovidedeffectivepathwaysforvaportransportationandassistedtheadsorptionanddesorption.:siliconcarbide(SiC) siliconnanoporouspillararray(Si-NPA) fieldemission gassensor目緒 半導(dǎo)體材料的發(fā) SiC半導(dǎo)體的基本性 SiC的結(jié)構(gòu)特 SiC的化學(xué)和物理性 SiC納米材料的研 SiC納米材料的方 SiC納米材料的性能及應(yīng) 硅基復(fù)合體 基于Si-NPA的納米復(fù)合體系的研 本課題的研究思路和內(nèi) SiC/Si- 納米復(fù)合體系的和表 引 Si-NPA的和表 Si-NPA的...................................................................................................Si-NPA表面成分和形貌表 nc-SiC/Si-NPA的和表 nw-SiC/Si-NPA的......................................................................................nw-SiC/Si-NPA的組分表 nw-SiC/Si-NPA的形貌表 nw-SiC/Si-NPA的表面形貌調(diào) nw-SiC/Si-NPA的生長機(jī)理分 小 SiC/Si- 體系的整流、場發(fā)射和光致發(fā)光性 引 nc-SiC/Si-NPA異質(zhì)結(jié)的........................................................................... nc-SiC/Si- 異質(zhì)結(jié)中載流子輸運機(jī)制分 nw-SiC/Si-NPA的場發(fā)射性 nw-SiC/Si-NPA作為場發(fā)射材料的優(yōu)勢分 nw-SiC/Si-NPA場發(fā)射性 nw-SiC/Si-NPA的光致發(fā)光性 nw-SiC/Si-NPA的光致發(fā)光性 nw-SiC/Si-NPA的光致發(fā)光機(jī)理分 小 SiC/Si-NPA體系的氣體傳感性 引 SiC基氣體傳感 SiC/Si-NPA氣體傳感器的H2S氣體傳感 濕度傳感 小 結(jié)論與展 參考文 致 作者簡歷及在攻 期間 、專 半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體技術(shù)是以半導(dǎo)體材料制作電子器件以及集成電子器件的技術(shù)。1947年貝爾的蕭克萊、巴丁和布拉頓關(guān)于三極管的發(fā)明揭開了半導(dǎo)業(yè)的生產(chǎn)總值已了汽車、鋼鐵和化學(xué)工業(yè)的總和，成為第一大工業(yè)，對人eV流子遷移率和擊穿電場較，限制了其在光電子領(lǐng)域以及高頻、高功率器件子遷移率是硅6倍，是目前最主要的高速和速半導(dǎo)體材料，已在高速傳導(dǎo)元器件中得到應(yīng)用。InP由于良好的高頻和高速等特性，成為光纖通訊中的激InP的熱導(dǎo)率比較低，它們并不能成為電力電子和功率集成電路等器件的最優(yōu)2.0eV，三代半導(dǎo)體具有許多共同的性能特點，包、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)種常見寬帶隙半導(dǎo)體與硅的性能比較如表1.1所示。并且禁帶越寬極化特征越明顯；在晶體結(jié)構(gòu)方面，除石外，其他的寬禁帶和集成電，具有很大的研究價值。幾種半導(dǎo)體材料性能比較[5, 6H-六 立禁帶寬度 直 間晶格常數(shù)晶格常數(shù)3-熱導(dǎo)率擊穿場強(qiáng)53/SiCGaN的研究已經(jīng)從材料研究階段進(jìn)LEDGaN，SiC具有更為久遠(yuǎn)的研究歷史，但是由于SiC存在很多晶相，且不同晶相之間可以相互轉(zhuǎn)變，之前的技術(shù)很難實生長技術(shù)快速發(fā)展起來，人們已經(jīng)能夠很容易的得到高質(zhì)量的SiC單晶，導(dǎo)體所不具備的。SiC20倍，是GaN3倍，因此在很多SiC半導(dǎo)體的基本性間距0.189nm，而相鄰Si-Si(C-C)原子間距為a=0.308nm，相鄰的兩個Si面之0.252nm。Si和C1.82.6，離子性對鍵合的貢獻(xiàn)1250kJ/mol。雖然SiC具有很強(qiáng)的四面體鍵，但是由于SiC所有的同素異型體都是其基本單元都是Si-C雙原子層的堆垛，它們之間的區(qū)別就在于沿c軸方向的每對Si-C雙原子層堆垛次序以及c軸的長短不同。6cSiC的對1.1SiC1.2aSi-C原子層的位A，在第二個Si-C原子層的兩個密堆積位置分BCSi-C原子層的堆垛次序可用ABC三個字母的周期性組合來表示，如2H-SiC的堆垛次序為…-AB-AB-…，2Si-C雙原子層；4H-SiC的堆垛次序為…-ABAC-ABAC-…，堆 圖1.2（a）Si-C雙原子層的堆垛次序[9]（b）幾種常見晶型的Si-C雙原子堆垛序列型大約有250多種[10]。依據(jù)晶體中Si-C雙原子層堆垛次序的周期性不同，將同質(zhì)異形體名一般由數(shù)字和字母構(gòu)成。字母代表晶體類型，而數(shù)字則表示周期排列而形成的立方結(jié)構(gòu)，6H-SiC表示6個Si-C原子層周期排列形成的六構(gòu)的晶系，如2H-SiC、15R-SiC等異形體則統(tǒng)稱α-SiC。多的SiC材料。但3C-SiC具有相對較低的穩(wěn)定性，且經(jīng)常處于亞穩(wěn)態(tài)，易于發(fā)3C-SiC作為SiC結(jié)構(gòu)的基石，其他結(jié)構(gòu)的SiC都可以由此基本結(jié)構(gòu)發(fā)1.2常見SiC同質(zhì)異形體的結(jié)晶類型、堆垛次序及禁帶寬度度3C-02H-4H-6H-8H-15R-21R-33R-SiC1.2所SiC材料顯著區(qū)別于其它寬帶隙半導(dǎo)體材料的鮮明用途的需要；同時，也增加了SiC材料生長過程中的工藝難度。1.3幾種不同晶型SiC半導(dǎo)體材料性能比較1.3幾種不同晶型SiC半導(dǎo)體材料性能比較3C-4H-6H-禁帶寬度電子遷移率720(a軸650(c軸370(a軸50(沿c軸T熱導(dǎo)率相對介電常數(shù)V SiC特殊的結(jié)構(gòu)特點決定其具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的力SiCSi-C雙原子層密排面的晶格質(zhì)方面，特別是在半導(dǎo)體特性方面表現(xiàn)出相迥異的特性。各種不同晶型SiC半導(dǎo)體材料性能比較如表1.3。SiC1200-1430K[14]。常壓下SiC不會熔化，高溫下SiC則直接升華并分解為C和Si。例如，將6H-SiC加熱，在Si3C2757℃左右時，SiC蒸氣為富Si2830℃35atm的高溫高壓9，那么SiC材料的耐磨性就為9.15。SiC的楊氏彈性模量為4×104載流子遷移率表示單位電場流子的漂移速度，是半導(dǎo)體器件的重要參數(shù)之一，對于器件的微波跨導(dǎo)、場效應(yīng)轉(zhuǎn)換器的輸出增益以及功率T的導(dǎo)通電阻等具有重要影響。Si具有較高的載流子遷移率。其中3-Si的載流子遷800c2/V4-Si的電子遷移率也較高，在c3-i6-Si18。SiSiSi材料明顯優(yōu)于i和asC的熱導(dǎo)率是i3倍，是as8-10倍。Si的擊穿電場強(qiáng)度高出i1個數(shù)量級13。由于SiC為間接帶隙半導(dǎo)體，其發(fā)光能力較弱。帶間的光吸收可使SiC的顏色發(fā)生變化。例如：6H-SiC吸收紅光區(qū)(~2.0eV)和藍(lán)光區(qū)(2.8~3.0eV)波段SiC單晶的顏色產(chǎn)生較大影響。SiC1.9-3.0eV的光譜范圍內(nèi)都具有發(fā)光性能，另外，SiC材料還具有良好的抗輻射性，SiC器件的抗輻射能力是Si器件10-100倍[20]SiC納米材料SiC納米材料的方SiC納米材料一直是研究者們努力的一個課題。隨著SiC單晶技術(shù)的發(fā)展，以及其他納米材料面對主要的方法給以簡單介紹。所謂模板法就是利用可作為模板材料的納米管、納米線或納米孔，通過覆法Si米i的反應(yīng)來Si納米材料；另一類則是利用其他多孔材料為模板，例如多孔氧化鋁模板，有一定取向的SiC納米陣列。1994年，ou等首次用碳納米管板與SiO氣體于1700℃進(jìn)行反應(yīng)，合成了長度和直徑均比碳納米管大一個數(shù)量級的實心SiC晶Si納米線的生長起了決定性作用211995Leer2-30Si納米棒。此外，該實驗組還對單根Si納米棒的力學(xué)性能進(jìn)行了測量，實驗數(shù)據(jù)表明SiC0a4a221997年，的研究組不但用碳納米管和Si-SiO2的混合物出了Si納米Si納米線的直徑會遠(yuǎn)大于碳納米管23。2001基于碳納米管的空間限域特性，hret等利用碳納米管形狀效應(yīng)，在SiO的Si納米管24i多碳合，多數(shù)Si納米管25]。goi等利用碳納米纖維為模板，使之與SiO反應(yīng)得到了具有核殼結(jié)構(gòu)的SiC/Si2納米線26]。Zhang等利用碳微球作為模板，通過固-氣反應(yīng)，成功制備出了SiC空心納米球，納米球直徑和殼壁尺寸可以通過改變實驗條件來控制[27]。2004年，的Bando研究組以ZnS納米材料為模板，利用化學(xué)氣相沉法合成了SiC納米管[28]。2006年研究組以各種ZnO納米結(jié)構(gòu)為模板合成利用多孔材料為模板可有一定取向的SiC納米陣列。Wang等人以有序的多孔碳為模板，以聚甲基硅烷為反應(yīng)前軀體，軀體滲入多孔模板后，燒還將氧化鋁模板應(yīng)用于SiC納米材料的，并且成功出具有定向生長的化學(xué)氣相沉積是一種納米材料常用的方法，具有操作簡單、的納米材料純度高、尺寸均勻等特點。在SiC納米材料方面，主要有以下幾種方式：（1）SiCl4ang等就以3Sil3和2作為反應(yīng)物，采用化學(xué)氣相生長法在iC陶瓷片上生長出了SiC納米線3]e(3)3納米顆粒為催化劑原材料，通入il4載入爐內(nèi)，在1200℃的溫度下，得到了結(jié)晶度良好、直徑在10nm左右的Si納米線34i（3i為氣源，Si2包覆層的Si棱錐35Zhan等以H4為氣源，以e粉為催化劑，采用法在單晶i片底片上生長出了具有螺旋結(jié)構(gòu)的SiC/Si2納米線36ellanda粉末作為催化劑在100℃的實驗條件下，合成了一種獨特的Si納米花材料37。i等先加熱球磨后的i和Si2粉末得到SiO，iO與38反應(yīng)，生長出SiC納米網(wǎng)[38]。此外，Beehelan等人用i和Si21400℃節(jié)[39]。而Chiu等在鍍有Ca膜的Si基片表面（Ca做催化劑，通入Ar氣和催化劑，首先出含蔗糖的SiO2溶膠，然后經(jīng)烘干得到含碳的SiO2干凝膠。將該干凝膠塊體加熱至1650℃，可獲得SiC納米線[41]。Li等則先通過將正硅酸乙醋(TEOS)和酚醛樹脂相互混合出含C的硅膠，然后在石墨坩堝中將硅膠加熱到l000℃并保溫1h，可以得到直徑為50nm左右的SiC納米晶須[42]。郭向云等24小時后，加入交聯(lián)劑并經(jīng)過干燥之后得到干凝膠。最后通過碳熱還原反應(yīng)得到了SiC納米線。在此基礎(chǔ)上，他們還在溶膠過程中，通過加入硝酸鑭和少量的表面活性劑，得到竹節(jié)狀和鏈珠狀形貌的SiC納米材料[43,44]。除了利用材料，通過碳熱還原法出了SiC納米材料，他們還發(fā)現(xiàn)C-SiO2納米顆粒中的他們將質(zhì)量比為2:3的SiC和SiO2粉末倒入反應(yīng)釜內(nèi)，隨后加入蒸餾水并攪470（SiC納米棒[48]。不過利用這種方法的SiC納米材料產(chǎn)率較低。中國科技大學(xué)的錢逸泰等利用代替水溶液作為反應(yīng)體系，并設(shè)計新的合成反應(yīng)，制下，分別出了SiC納米線、SiC納米空心球以及SiC/C納米電纜[50]。Xi利用金屬Li作為還原劑，以乙醇為C源，SiCl4為硅源，在600℃的溫度下，通過溶法，以S粉為催化劑，在130℃的溫度下即可得到SiC納米線[53]。電弧放電法納米材料源于的Ljima，他利用電弧放電法成功地備出各種結(jié)構(gòu)的納米材料。德國的Seeger等首次用該方法了SiC納米晶須[55]。隨后，Li等便在此基礎(chǔ)上，將含有鐵雜質(zhì)的SiC棒插入石墨中作為陽極，劑的條件下，使用電弧放電法也可出高純度的SiC納米線[58]。SiC納米材料除了具有塊體材料的穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率等性能外，同時由于Si材料的機(jī)械性能能否滿足強(qiáng)度和尺寸的雙重要求？對于納米SiC的研究結(jié)果表明答案是肯SiLieer納板2-30納米的SiSia論預(yù)測值，彎曲強(qiáng)度高達(dá)a，是微米晶須的兩倍22]。ang等以3il3和2作為氣源，滲入到C預(yù)制件中，在預(yù)制件中原位生成-iC核殼Si納米線在Si基陶瓷復(fù)合材料中表現(xiàn)出良好的增韌效果59。Zhang等利用掃描電鏡觀察到了SiC納米線的超塑性，其延展率甚至能達(dá)到200%0Froudakis了Si納米管端部的結(jié)構(gòu)特性，結(jié)果表明，納米管有望作為原子力顯微鏡和掃描探針顯微的探針，存在較大的應(yīng)用價值61。由本章表1.1中SiC與其他半導(dǎo)體材料相比的結(jié)果可知，SiC具有小的介電室溫下，當(dāng)反向電壓為0.05V和0.0lV時，β-SiC的載流子遷移率分別為15.9cm2/(V.S)和6.4cm2/(V.S)，并且，β 具有型導(dǎo)電特性[62,63]。Seong等研究了線的電子遷移率為15cm2/(V.S)，電阻為2.2×l0-2?cm 的情況下，SiC納米線場效應(yīng)晶體管的理想摻雜量是5×l05cm-3[65]。場增強(qiáng)因子，因此，是近年來研究的較多的場發(fā)射材料。例如，在9年，ong等首次研究了C納米線的場發(fā)射性能，結(jié)果表明，其開啟電場和閾值電//66。Pan等測試了具有一定取向的Si納米線陣列的場發(fā)射性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其開啟9//Si納米線陣列的優(yōu)越的性能可能與Si納米線的定向生長以及高密度有關(guān)67。2003年，等利用化學(xué)氣相沉積法合成了一種i線陣列頂端覆蓋一層Si3/Si的帶隙較寬致使其具有負(fù)的電子親和勢也使得材料具有優(yōu)越的場發(fā)射性能68Si納米線密度對其場發(fā)射性能的影響，Senthil等以i作為催化劑，通過改變催化劑的量來控制SiSi的響8/5.9l39。Si納米線的穩(wěn)定性再加上其優(yōu)越的的場發(fā)射表現(xiàn)，相信在不久的將來，市場上將會出現(xiàn)以其為極發(fā)射材料的大面積顯示器。希望。2004年，Hu等在SiC納米管上發(fā)現(xiàn)了位于在517nm處的綠色光致360~400nm波段被激發(fā)出穩(wěn)定的紫外光和藍(lán)光[72]，作者將紫外光歸因于SiOx3C-SiC3.3eV3C-（2.4eV片段發(fā)射的[73]。Wei3C-SiC391nm處唯一的強(qiáng)紫由于Sii襯底200℃i材料則可以350-65℃的高溫環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，因此以Si材料能作為硅材料的代替者在高溫和惡劣環(huán)境下工作75Si基氣體傳感元器件以肖特基二極管和金屬-絕緣體-半導(dǎo)體場效應(yīng)轉(zhuǎn)換器（MFT）結(jié)構(gòu)類型為主，可通過將iC納米材料沉積在其他半導(dǎo)體材料（如硅等）上，而所測試氣體以氫氣和具有還原Si（如t或和絕緣體或半導(dǎo)體氧化層（如Si2等）按順序沉積到Si襯底表面上而成，氣體分子在催化金屬表面通過接觸反應(yīng)而分離，反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生極化吸附在金屬表-（I--（-或電導(dǎo)-電壓KarimaBourenane等的Pt/SiC-pSi和Pd/SiC-pSi肖特基二極管型的氫氣和碳?xì)浠衔餁怏w傳感器在低于1V的電壓下即具有高達(dá)90%的靈敏度和較高的選擇性實驗還研究了SiC層的厚度和多孔結(jié)構(gòu)對傳感元器件性能的影響[77]。JihyunKi等的 肖特基二極管型氣體傳感器對2、H2、CF4等均具有少于1秒鐘的快速響應(yīng)速度[78]，這種傳感器非常適合應(yīng)用于汽車的燃燒控制系統(tǒng)和工業(yè)中氣體泄漏的設(shè)備。而AnetteSalomonsson等制并且，由于材料自身的穩(wěn)定性，SiC基氣體傳感器即使長時間在高溫環(huán)境下器，更加簡單。SiC納米材料在其他領(lǐng)域也表現(xiàn)出的前景。2006年，Zhou等研究了SiC納米劑的活性，同時還增加反應(yīng)后得到的固態(tài)S的量[86]。Froudakis等對SiC納米高將近20%；在高壓、低溫下，儲氫效果更加明顯[87]。另外，F(xiàn)an等還研究了[88]SiC納米材料的諸多性能已們逐漸認(rèn)識和應(yīng)用，并且還在被繼續(xù)挖掘和探索中，我們期待著的優(yōu)異特性以及潛在應(yīng)用價值被發(fā)現(xiàn)。硅基99%的集成電路（IC）95%以上的半導(dǎo)體器件都是用硅“瓶頸”。如果能夠?qū)⒐庾右氲焦鑼崿F(xiàn)低消耗、大容量、速的超大規(guī)模集成電路[91]。然而，單晶硅具有間接時，人們想到了在硅基電利用晶片鍵和智能剪切等方法集成上各種化合物半導(dǎo)體的光電子器件，來硅基光電集成電路，這就是硅基納米材料的研究和價帶也會進(jìn)一步，由此而產(chǎn)生的量子限域效應(yīng)會對體系的物理特性產(chǎn)生較大影響[93-95]。因此，對硅基納米半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的方法和物理特性研究，目前，硅基納米半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)型體系可通過如下方法得到。首先，納學(xué)陽極氧化等方法多孔硅；其次，借助于物理和化學(xué)的方法，將化合物半勻、大面積的納米硅基襯底的，其二為化合物半導(dǎo)體在硅基襯底上的成功多孔硅（PS）基納米復(fù)合材料是指以多孔硅為基底、采用物理和化學(xué)機(jī)膜、沉積發(fā)光材料微顆以及粒半導(dǎo)體薄膜等可以改善PS發(fā)光性能[96-98]；通過調(diào)控表面微結(jié)構(gòu)，以及沉積吸光性有機(jī)薄膜、納米微晶等方法可以提高PS對可將金屬沉積在多孔硅上而的金屬/PS二極管結(jié)構(gòu)是PS器件的基本結(jié)構(gòu)聯(lián)電阻和理想因子[105,106]。1995年，Ben-Chorin等系統(tǒng)地測試了不同金屬/PS接觸結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕法的PS具有很高的表面態(tài)，這會引起極管的性能取決于PS/Si結(jié)和PS1.4所示的能帶結(jié)這些優(yōu)點對于光電子技術(shù)中的信息傳輸和都極為有利[108-110]。而PS獨特的600m2/cm3的巨大比表面積以及強(qiáng)的吸附能力都使PS成為有機(jī)圖1.4平衡條件下（a）正向偏壓（b）逆向偏壓（c）金屬/多孔硅結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)簡圖制硅基納米復(fù)合體系的發(fā)光波長和提高發(fā)光效率的目的。相對于金屬/PS二極管，PS基半導(dǎo)體復(fù)合物形成的異質(zhì)結(jié)具有更高的載流子注入效率，能夠地基于Si-NPASi-NPA大量和深入的研究，對其技術(shù)和形貌結(jié)構(gòu)，物理特性和實際應(yīng)用效果等方未能得到很好的解決，那就是在電化學(xué)陽極腐蝕法的PS表面出現(xiàn)孔徑分布構(gòu)會阻礙氣體的吸附和脫附，從而延長傳感元件的響應(yīng)速度。因此，一種采用高壓水熱腐蝕(111)取向的p型單晶硅片可以得到一種具有獨特形貌結(jié)構(gòu)和物理性能的硅基納米體系，硅納米孔柱陣列（siliconnanoporouspillar與單晶硅基底之間的過渡層中都分布著大量的納米孔；納米孔的孔壁則由Si-NPA最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元硅納米單晶顆粒組成。在空氣中存放，Si-NPA表面及其多孔孔壁的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.5所示。1.5Si-NPA的剖面結(jié)構(gòu)及其多孔孔壁的結(jié)構(gòu)示意圖相對于傳統(tǒng)電化學(xué)腐蝕法的多孔硅，PA具有較為優(yōu)越的結(jié)構(gòu)特i-PA表面的納米孔尺寸更加均勻。納米孔的孔徑從iSi和8.2n。水熱腐蝕法的微孔結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)合并現(xiàn)象，因此不會有傳統(tǒng)法的多孔硅中大量微米/亞微米量級甚至更大的孔洞以及由于電流分布不-PA表面的柱狀陣列結(jié)構(gòu)為硅基襯底提供的功能。如在其上沉積場發(fā)射材料，這種規(guī)整的柱之間的縫隙可以為氣體的吸附、脫附提供有效的通道[127-131]。另外，改變水熱腐蝕的條件，可以對Si-NPA中的硅柱、納米微孔以及納米微晶的尺寸同除了優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能之外，Si-NPA還具有獨特的化學(xué)、電學(xué)以及光學(xué)性不同程度的氧化。但是相比于傳統(tǒng)陽極電化學(xué)腐蝕法的多孔硅，Si-NPA被氧化改性的程度較低。這可能是由于在Si-NPA的過程中添加的Fe3+在樣品的表面起到一定的鈍化作用造成的[123]。另外，研究發(fā)現(xiàn)室溫下新鮮的在Si-NPA的表面通過磁控濺射或者真空蒸鍍技術(shù)電極，通過測試材料的電流-電壓(I-V)關(guān)系可以研究Si-NPA的電學(xué)特性。在金屬/Si-NPA/Si/金屬結(jié)共同作用的結(jié)果。許的博士中關(guān)于金屬/Si-NPA/Si/金屬結(jié)構(gòu)的J-V測試結(jié)果顯示，當(dāng)選取±10V的測量電壓范圍，JV曲線的正反兩向呈現(xiàn)很好的對稱性，而且在±7V電壓范圍內(nèi)，J-V曲線呈良好的線性特征。此結(jié)果表明，金屬/Si-NPA/Si/金屬在Si-NPA結(jié)構(gòu)中沒有形成明顯的肖特基勢壘[136]同金屬/PS接觸結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)的研究理論，他們認(rèn)為電化學(xué)腐蝕法的PS列結(jié)構(gòu)使得Si-NPA表面具有很高的粗糙度，這增大了材料的場增強(qiáng)因240-2400nm的波長范圍內(nèi)，Si-NPA4%的光反射率，分析其原因，這可能是由于Si-NPA獨特的層次結(jié)構(gòu)造成的。首先，Si-NPA中大量分使得光子的能量逐漸被消耗而無法反射出去；另外，Si-NPA中的納米晶可俘獲大量的光子。對于Si-NPA室溫下的光致發(fā)光（PL）研究發(fā)現(xiàn)，Si-NPA在約Si-NPA不僅是實現(xiàn)功能化硅納米結(jié)構(gòu)的理想材料，光電子和微電子應(yīng)用領(lǐng)域得到的應(yīng)用。Si-NPA能、以及氣、濕敏傳感器和場發(fā)射顯示器等方面取得優(yōu)異的性能。例如，系在未來固體白光照明等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供可能性。文獻(xiàn)[139]則了采用溶表明，WO3/Si-NPA濕敏元件均具高的響應(yīng)靈敏度和快速的響應(yīng)速度。將1×10-4mol/l腺嘌呤測不出明顯的拉曼譜峰，而當(dāng)使用Ag/Si-NPA作為信號的表面強(qiáng)材料，濃度為1×106mol/l的腺嘌呤也可以被拉曼光譜儀探測到其特征峰。另超低的開啟場強(qiáng)0.7V和很高的增強(qiáng)因子。文獻(xiàn)分析，優(yōu)越的場發(fā)射性能一方面上發(fā)射點之間的效應(yīng)。目前，以Si-NPA為襯底的復(fù)合體系主要為金屬/Si-NPA和半導(dǎo)和硫化鎘/Si-NPA外，還包括碳化硅/Si-NPA[130]、硫化鋅/Si-NPA[136]、氧化鐵本課題的研究研究已也被逐步開展。采用模板法、化學(xué)氣相沉積法等可成功出各種形貌SiCSiC納米材料性能的有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，SiC納米材料具有更加優(yōu)越的機(jī)械性能以及更SiC納米的作用，室溫下納米SiC能夠發(fā)射出從紫外到綠光波段的強(qiáng)光致發(fā)光?；谝陨闲阅軆?yōu)勢，目前，國內(nèi)外對SiC納米材料的研究日新月異，相關(guān)也很多，研究主要集中在用不同合成方法SiC納米粉體材料及對其進(jìn)材料的尺寸、形狀以及對材料進(jìn)行摻雜等來實現(xiàn)。本課題基于課題組的一NPA，本課題組已對Si-NPA的技術(shù)、結(jié)構(gòu)特點以及性能特征有了較為深入的研Si-NPA為襯底還有利于器件的集成化?；谝陨峡紤]，并參閱多種SiC納米材料的方法，本擬采用高溫Si-NPASiCSiC納米線晶的高溫行為和SiC納米材料的生長機(jī)制。SiC/Si-NPAI-VSiC/Si-NPA界SiC場發(fā)射性能的影響，以期能引期的技術(shù)難以實現(xiàn)大面積、高純度SiC單晶的。這一缺點造成了SiC的應(yīng)用滯后于Si和GaAs等數(shù)十年。直到1978年，科學(xué)家Tairov和Tsvethov等人改進(jìn)了Lely8mm8mm的6H-SiC單晶，并且在此方法中通過改變籽晶的晶型，能夠長出與籽晶晶型相同的SiC晶體[142]。自此SiC作為一種實用半導(dǎo)體材料才真正引起人們廣泛的研究。目前，隨著SiC單晶的技術(shù)的日益成熟，人們對SiC晶體的生長機(jī)理也有了較為深入的認(rèn)識，這為SiC納米材料的打下了基礎(chǔ)。目前，有關(guān)SiC納米材本文根據(jù)所選襯底獨特的表面結(jié)構(gòu)和組分特征123和熱化學(xué)氣相沉積法在其表面復(fù)合零維和一維SC納米材料，納米SiC/Si-Si與i（20%（約8%）較大，高溫下i襯底上生長SiC薄膜會引入大量失配錯位和應(yīng)力，因此各種異質(zhì)外延生長SiC薄膜都需要著重解決這一問題。A由于其表面的納米13-P也是一種結(jié)構(gòu)和組分比較新奇的硅材料，在其上復(fù)合Si。Si-的高溫行為以及Si納米材料的生長機(jī)制做出較為深入了和合理的判斷。Si-NPA的和表Si-NPA的主要參閱文獻(xiàn)[123-125]。本實驗中作為基底材料所使用的Si-NPA，采用(111)0.015?cmp型單晶硅片，通過水熱腐蝕的方法而成。具體的步驟為：1cm×1cm2cm×2cm的標(biāo)準(zhǔn)方片，參考工業(yè)硅片的方法，使用硫酸和過氧化氫、氨水和過氧化氫以及鹽酸和配置腐蝕溶液。將30ml濃度為40﹪的HF酸與12.5ml的去離子水混合，13mol/l，F(xiàn)e(NO3)30.02mol/l，該混合溶液被放置在聚四氟乙烯樣品。將過的單晶硅片放入水熱腐蝕溶液，將水熱釜的不銹鋼金屬外罩?jǐn)Q緊，并將水熱釜放入干燥箱內(nèi)。然后加熱干燥箱，使其在140℃保溫30-33分鐘，隨后停止加熱，使?fàn)t子自然冷卻到室溫。洗后，放置在空氣中，自然干燥。即可得到Si-NPA樣品。經(jīng)過改變各種實驗參數(shù)的大量實驗，本實驗組已對Si-NPA的條件做出最優(yōu)化選擇，本文所采用的實驗條件即是由此而定的。另外，在Si-NPA的這一層有機(jī)物膜層將會HF酸對單晶硅的腐蝕，因此導(dǎo)致樣品表面腐蝕不均，而得不到具有規(guī)則陣列形貌的Si-NPA樣品。形貌有很大的影響，最佳的濃度配比應(yīng)控制在0.02M左右。不僅為將樣品表面殘留的HF酸沖洗掉，更重要的是盡量減少新鮮的樣品Si-NPA樣品的物相分析是通過RigakuD/MAX-3B型X射線衍射(XRD)來進(jìn)行CuKα0.15406nm。樣品的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)，以及其表觀尺寸的表征是通過電子儀器公司的JEOLJSM-6700F(fieldemissionscanningelectron圖2.1是單晶硅（sc-Si）和新鮮的Si-NPA樣品的XRD譜。可以看到，兩樣品均在2θ角為28°處出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰，該衍射峰為對應(yīng)于Si的（111）晶面的特征衍射峰，說明 主衍射峰的半峰寬，對Si-NPA表面的納米微顆粒進(jìn)行粒徑估算，結(jié)果得到其平均尺寸為~4nm。對比文獻(xiàn)[123]中Si-NPA的XRD和透射電子顯微鏡的測試結(jié)果，本實驗中的Si-NPA在組成和納米顆粒的尺寸上與其保持一致。圖2.1單晶硅（sc-Si）和新鮮的Si-NPA樣品的XRD視圖，(c)和(d)為10000和50000倍放大倍數(shù)下樣品的側(cè)視圖3.0μm，底端的直徑約3.2μm，統(tǒng)計得到的Si柱面密度約為8.9×107cm-2。這種陣列體系賦予Si-NPA巨大的比表面積，和有效的氣體傳輸通道，以其為基底的氣濕敏材參閱文獻(xiàn)[123,125]對Si-NPA的表面結(jié)構(gòu)和成分做的更次的分析，Si-NPA在微米和納米兩個尺度上形成了三個分明的結(jié)構(gòu)層次，是典型的微米/3.4nm，這些硅納米顆粒是Si-NPA最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)單元。Si-NPA除了具有規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)特征之外，還具有傳統(tǒng)電化學(xué)腐蝕法的多孔硅的海綿狀結(jié)構(gòu)特征。文獻(xiàn)[123]SiC納米晶/Si-NPA的和表-即將含有2的干凝膠塊體放入高純石墨坩堝中，在還原性氣體或者惰性氣體Si納米材料[4144粉末以及-Si2納米顆粒作為原料，通過碳熱還原，iC納米棒等納米材料的相關(guān)45,46]。本實驗中使用的Si-A表面也有被空氣中的氧氣氧化的Six成分，Six在高溫石墨氣氛中難免會被還原為S。然而，Six的量很少，若要生成大量的S，Si-A必須提供更多的硅源，此時就需要因此Si-表面的單質(zhì)硅參與被石墨碳化的反應(yīng)來保證Si薄膜的生成。nc-SiC/Si-NPA具體步驟如下圖2.3即nc-SiC/Si-NPA樣品的XRD衍射圖譜。圖中可以看出，在X射線的2倍衍射角2θ為35.5o、60.3o和71.8o處出現(xiàn)三個較強(qiáng)的衍射峰，通過與β型SiC的特征衍射峰相比較，這三個峰分別對應(yīng)于β型SiC的（111（220）和（311）晶面生成一層β-SiC。利用謝樂、選擇（111）面衍射峰的半峰寬，可以計算SiC45nm2θ73.4o處存在另外一個較cm?1785cm?1957cm?1波數(shù)處，出現(xiàn)了兩個較弱的散射峰，這兩個峰分別與β-SiC的TO(~796cm?1)LO(~972cm?1)聲11cm?115cm?1波數(shù)的位移，這可能是由于生成的SiC納米晶的尺寸較nc-SiC/Si-NPA樣品進(jìn)行表面形貌的觀察，其結(jié)果2.5（a（b（c）nc-SiC/Si-NPA樣品的低倍率、高倍率和樣品橫截面SEM，從圖中可以看到，nc-SiC/Si-NPA樣品依然保留了襯底Si-NPA的柱狀陣列結(jié)構(gòu)。SiCSi-NPA的表面，而形成了連續(xù)的薄膜層。通過測量，薄膜層的厚度大概為200nm。（a40000倍，(c)為樣品的橫斷面SEM900℃,1000℃,1100℃1200℃。得到樣品的XRD衍射結(jié)果，如圖2.6所示。出現(xiàn)的衍射峰與β-SiC（111）晶面的特征峰位置相對應(yīng)。而在37.5°和74.5°處峰的相對強(qiáng)度可以看出，樣品表面SiO2的量多于SiC。當(dāng)反應(yīng)溫度升高到1100℃35.5°、60.3°71.8°72.8°處分別出現(xiàn)四個較強(qiáng)的衍射峰，分別（111的（111（200（220）和（311）晶面。有關(guān)SiO2的衍射峰不見，這表圖 nc-SiC/Si-NPA樣品的表面形貌為了驗證Si-NPA在高溫下的融化行為我們還對不同溫度下樣品的之以巖漿狀的平面結(jié)構(gòu)。此結(jié)果也可表征硅柱的融化使得陣列結(jié)構(gòu)坍塌。眾所周知，硅是一種耐高溫的材料，其為1410℃[148]。然而，當(dāng)其基急劇增加，其也會大大降低[97]。納米硅具體降低多少和硅納米微晶的尺寸以及所處的高溫環(huán)境的壓力有很大關(guān)系。HerinoR等采用電化學(xué)陽極腐蝕法的多孔硅，其表面的微孔在900℃時即會出現(xiàn)表面孔洞結(jié)構(gòu)的坍塌和交聯(lián)。他們分析這是由于多孔硅具有較高的表面能造成的，多孔硅的表面能為0.2Si-NPA表面成分和形貌表征”一節(jié)中可知，本文中的Si-NPA表面分布著大量的納米微孔，此結(jié)構(gòu)與電化學(xué)陽極腐蝕法的多孔硅相似，具有巨大的比氧化硅層質(zhì)量提高階段。由圖2.6中XRD的，當(dāng)選擇的碳化溫900℃1000℃之間時，樣品表面的成分主要為SiO2，表明在此溫度條SiO2（非晶）→SiO2（晶體 1100℃，樣品的表面成分發(fā)碳熱還原而生成了SiC造成的。參考碳熱還原法SiC的反應(yīng)機(jī)理[151-153]，首先Si-NPA表面所含的SiO2與石墨蒸氣發(fā)生反應(yīng)，生成氣態(tài)的SiO，然后氣態(tài)SiO與石墨蒸氣而生SiC，如反應(yīng)式（2.2（2.3。另外，在SiO2與石墨的反SiOSiO2(s)+C(g)→SiO(g)+ SiO(g)+C(g)→SiC（s）+ SiO(g)+2CO(g)→SiC(s)+ CO2(g) C(g)→ SiO2(s)+3C(g)→SiC(s) 反應(yīng)式（2.6）是典型的SiO2被碳熱還原的反應(yīng)方程式3.硅納米晶的高溫碳化階段。隨著反應(yīng)溫度的進(jìn)一步升高，Si-NPA表面的納米晶開始參與到生成納米SiC的反應(yīng)中，同時還伴隨著硅柱的高溫熔化行為在1400℃溫度下來生長SiC納米棒。在他們的方法中，氧化硅和硅的混合粉在高溫下生成氣態(tài)的SiO與碳納米管發(fā)生反應(yīng)[23]。而Si-NPA中的納米硅晶粒具有比塊體硅高得多的表生成SiO，其反應(yīng)式為SiO2(s)+Si(s)→ SiO(s)+C(g)→SiC(s)+ （2.6SiO2(s)+Si(s)+2C(g)→2SiC(s) 2CO 升高，達(dá)到1200℃，硅納米晶粒被碳化的反應(yīng)變?yōu)樯蒘iC的主體反應(yīng)。（2.4(SiC納米線/Si-NPA的和表目前有關(guān)SiC納米線的方法主要為模板法和化學(xué)氣相沉積法（CVD。該方法可有效實現(xiàn)對的SiC納米線形貌的調(diào)控，然而，由于這種方法必須以碳納米管等為原材料，因而成本較高。近年來，隨著CVD技術(shù)的不斷完善，它已成為一維納米材料最為常用的方法。利用該方法，已成功出了的SiC納米棒、納米線和納米針等。該方法具有利于獲得最佳工藝條件,并達(dá)到納Si-NPASiC納米線，形成nw-SiC/Si-NPA復(fù)合體系。具體過程包括以下3步：在Si-A襯底表面需要預(yù)先一層催化劑，以輔助SiC當(dāng)前研究表明，輔助SC納米線生長的催化劑有鐵35]、鎳6]等金屬和氧化鐵4]、氧化鎳69]等氧化物。在文獻(xiàn)[].tia等將單晶硅片在硝酸鎳溶液中浸泡，在其后的化學(xué)氣相沉積過程中，硝酸鎳被加熱分解為氧化鎳而作為碳化硅納米線的催化劑。以iO為催化劑生長出的SiC納米線，結(jié)晶良好，線體直徑均勻。而若將本實驗中iPA基底材料直接置入硝酸鎳溶液，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，其表面會由于氧化性硝酸鎳溶液的作用而完全被氧化，在其后的化學(xué)氣相沉積過程無法提供生成SiC種15156i被沉積在i-NPA上，在隨后的熱化學(xué)氣相沉積過程中，Ni被氧化為氧化鎳而做催化劑0.268克NiSO4·6H2O3.08克20毫升無水乙醇，用氨水調(diào)節(jié)該溶液的PH8。以上所用化學(xué)藥品均為分析純。然后將新鮮的Si-NPA浸入該混合溶液中，數(shù)秒后取出，并用去離子水樣品表面，空氣中自然晾干。催化劑鎳顆粒的尺寸和厚度對nw-SiC的直合粉末至Ni/Si-NPA200sccm流量的氬氣，20分鐘后開啟爐子的加熱程序。本實驗以每分鐘18?C的加熱速度使?fàn)t溫迅速升高到1100?C，然后在25％的HF酸滴在樣品表面，10分鐘后，多次用去離子水樣品，去除殘留的HF酸和生成SiF4，然后將樣品在空氣中自然晾得到的信號強(qiáng)度較低，噪音將會影響到對的正確分析，本文采用增大2.82θ35.5°、60.371.8°處出SiC（111sf通過電子儀器公司的JEOLJSM-6700F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡對nw-SiCSi-NPA上，與微米量級的硅柱陣列形成微/nw-SiC/Si-NPA樣品提供了巨大的比表面積的同時，還保留了Si-NPA襯底的硅柱陣列結(jié)構(gòu)，使得nw-SiC/Si-NPA擁有圖 為了進(jìn)一步研究iC納米線的微觀形貌和其生長機(jī)理，本實驗對n-SiC/SiPA電子儀器公司的L10型透射電子顯微鏡(trasisineletronicroscope，M)和高分辨電子顯微鏡(highreslution，T)來完成。片將樣品表面物質(zhì)剝離，分散在溶液里，并用超聲波儀22.10（aSiC納米30n，這與對樣品的M顆（b過HTEM根SiC的生長過程中，沿著其生長方向產(chǎn)生了大量的晶面缺陷。圖（c）為圖（b）的放025n0.252nmn-SC沿1]SiC2-310nm（d為SiC納米線軀分的選區(qū)β-SiC的標(biāo)準(zhǔn)衍射花樣圖相一致。SiC2.11分比如圖中表格內(nèi)數(shù)據(jù)。由測試數(shù)據(jù)可知，CSi1:1，而NiO1:1SiCNiO。從而表明圖2.11(a)為SiC納米線的TEM(b)為nw-SiC中黑色顆粒進(jìn)行EDS測試的結(jié)溫度、反應(yīng)時長以及載氣流量等實驗條件，做出系列研究，以尋求具有理2.1沉浸鎳時間反應(yīng)溫度反應(yīng)時間Ar氣流量abcdefghijkl預(yù)制催化劑鎳沉積量對nw-SiC/Si-NPA2.14所示。（a）、（b）、（c）、（d）10秒，20秒，3060圖可以看到，在（a）樣品中SiC納米線主要生長在硅柱的頂部；(b)，(c)樣品與新鮮的的Si-NPA幾乎沒有區(qū)別，此處不再提供其SEM。由以上實驗結(jié)果可知，在SiC納米線的生成過程中，催化劑起到非常重要的作用，只有SiC納米線的直徑、密度以及分布情況均會發(fā)生較大的變化。 2.14（a）（b）（c）（d）CVD反應(yīng)溫度900℃，1000℃，1100℃和1200℃樣品的SEM。由圖可以看出，在反應(yīng)溫度為900℃的（a）nw-SiCSi-NPA相比沒有明顯的變化。在反應(yīng)溫度為1000℃的（b）樣品中，有絮狀物生成，為SiC納米顆粒和極細(xì)極短的納米線的混合物。當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到1100℃時，則有大量nw-SiC生成。而當(dāng)溫1200℃，nw-SiCSi-NPA的柱狀陣列結(jié)構(gòu)。（d）樣品中Si-NPA的硅柱陣列結(jié)構(gòu)，可能由如下兩個方面的原因造成，1.nw-SiC的生長過程中，Si-NPA的硅作為硅源充分參與反應(yīng)，使得硅柱逐漸消融；2.在此溫度下，Si-NPA中存在的大量硅納米晶粒2.15（a）,（b）,（c）和（d）為選擇CVD1100℃，反應(yīng)時間分別為0.5小時，1小時，1.5小時和2小時所得樣品的SEM如所示。在圖2.15 時、1.5小時和2小時所得樣品的SEM100sccm,200sccm300sccm180Pa，200Pa210Pa3個壓力條件下，選長條件下，硅柱陣列的，不可能是由于硅柱的高溫和長時熔化造成的。推壓力下的納米線密度，此實驗結(jié)果與大量文獻(xiàn)的在較低壓力下更有利于納2.16(a)、(b)、(c)180Pa，200Pa210PaSEM 對不同實驗條件下的樣品進(jìn)行篩選，認(rèn)為表2.1中（c）樣品滿足本課題對材料的結(jié)構(gòu)要求。（c）樣品的實驗參數(shù)可描述如下：新鮮的保溫時間為1小時，通氬氣的流量為200sccm(反應(yīng)室內(nèi)壓力為200Pa)。采用此條件的樣品在今后的性能測試中統(tǒng)一被稱為nw-SiC/Si-NPA。隨著SiC納米材料技術(shù)的日益成熟，有關(guān)一維SiC納米材料生長機(jī)理Si-CSiC納米能量的各向異性，SiC分子源源不斷地從合金中能量最低的方向析出，從而形SiC納米線。此種機(jī)理還根據(jù)催化劑在納米線中所處的位置不同分為頂部長過程如圖2.17所示。首先被的楊為佑等人使用來解釋他們的一維SiC納米材料[163-165]。在他們的實驗中，他們用聚硅氮烷作為SiC的唯一原材料，用FeCl2為催化坩鍋內(nèi)。在低壓（0.1MPa）1700℃2小時，80~200nm4μm的SiC納米棒。在整個反應(yīng)過程中，聚硅氮烷及局域過飽和度的不同等眾多因素，導(dǎo)致所的納米結(jié)構(gòu)形貌復(fù)雜多變，不V–L–SV–S機(jī)制中沒有金屬催化劑所帶SiC納米材料。其生長機(jī)理如圖2.18所示。nw-SiC/Si-NPA反應(yīng)式（2.10（2.11。根據(jù)Gruner等[166]的研究，在高溫條件下，石墨粉和米微晶反應(yīng)、以及Ni-Si-O合金界面處的SiO2與CO氣體反應(yīng)，均會生成SiO,如反（2.12（2.13WO3+3C→W+ 2WO3+3C→2W+3SiO2+CO↑→SiO+SiO2+Si→2SiO+4CO↑→SiC+由于SiC的高于SiO2的，所以SiC的速度高于SiO2，根據(jù)反應(yīng)）圖 (a)和(b)分別為HF酸處理前、后樣品的表面形圖2.21（b）所示，中僅有Si，C,O三種元素，結(jié)合腐蝕處理后樣品的圖2.20(a)為核殼結(jié)構(gòu)的SiC-SiO2納米線的HR-TEM(b)為該樣品的微區(qū)EDS測試nw-SiC/Si- 本章在對的nw-SiC的高分辨透射電鏡的表征中，看到的nw-SiC光性能等，本節(jié)對nw-SiC中出現(xiàn)的晶面缺陷給以初步解釋。眾所周知，SiC的堆垛缺陷能非常低，約為34ergcm-2，大約是其{111}表錯機(jī)制。Smith[168]用AxialNearNext-Neighborlsing(ANNNI)模型來解釋多型性，態(tài)的變化次序。對于3C-SiC，可以表示為…++++++…，或者…ABCABC…。6H–SiC結(jié)構(gòu)，則可表示為…ABCACB…，或者…+++---…ANNNI模型的面(J2)(或者延伸到第三個最鄰近的面，叫變ANNNI模型)之間。對具有N層結(jié)構(gòu)的總能量可以表示為： 孿晶能變化量

…+++---EN(twin)=ΔEtwinEN(twin)－EN(3C)2J14J26J3，用Cheng等人計算的結(jié)果J1=0.00485， SiC納米線生長過程中，出現(xiàn)各種缺陷可以明顯降低SiC納米結(jié)構(gòu)中觀分析堆垛層錯能可以更好地理解SiC較多的晶面主要是{1}晶面，而出現(xiàn)層錯較少的晶面通常是{21}和{10}晶1250{21晶面的表面能(3990egc2)和{10}0g2)都比1}0g2)成不僅對降低層錯能有利，而且對以{1}晶面生長來減少生長表面能非常有利。當(dāng)納米線的直徑很小時，孿晶納米線的側(cè)面積就變得很大。這樣，納米線過提高堆垛層錯含量來減少側(cè)面表面能的大小，以促進(jìn)納米線的生長。表2.2晶 表面 原子 單位表面33 332 226 26

6 6

/2)

分析本文的nw-SiC存在較多的晶面缺陷以及大量非晶粒子的原因，可小熱化學(xué)氣相沉積法在Si-NPA表面原位生長了SiC納米晶和SiCSiC納米材料的生長機(jī)制。具體內(nèi)采用水熱腐蝕技術(shù)，在（111）取向、重?fù)诫s的p型單晶硅表面了硅Si-NPASi-NPAXRDScherrer計算得到硅納米晶的平均尺寸為~4nm。通過掃描電鏡的觀察，采用高溫碳化法了nc-SiC/Si-NPA復(fù)合體系。對樣品進(jìn)行XRD測試的結(jié)果顯示，235.5o、60.3o71.8o處的三個衍射峰與β-SiC的特征峰相對應(yīng)；拉曼光譜中785cm?1和957cm?1波數(shù)處的散射峰與塊體β-SiC的TO(~796cm?1)LO(~972cm?1)聲子振動模相對應(yīng)，因此判斷采用高溫碳化法，在此溫度為生成SiC的主體反應(yīng)。而一旦溫度繼續(xù)升高，達(dá)到1200℃，硅采用熱化學(xué)氣相反應(yīng)技術(shù)了nw-SiC/Si-NPA復(fù)合體系。通過XRD分Si（111（220）和（311）晶面的衍射峰。據(jù)此判斷，采用該技術(shù)，在Si-NPA襯顯的肩峰（sf）SiC納米線中所存在的大量缺陷堆積。通過統(tǒng)計測量，備的nw-SiC具有較大的長徑比。nw-SiC長出nw-SiC的密度隨著催化劑量的增多而先增加后減??；隨溫度升高，nw-SiC的直徑和長度nw-SiC的密度、長度增加，當(dāng)反應(yīng)時1小時，硅柱開始融化坍塌；隨著反應(yīng)壓力的增大，nw-SiC的密度減小。本文的nw-SiC存在大量的層錯和缺陷堆垛。經(jīng)過測量，缺陷形成的晶區(qū)的直徑約為2-3nm10nm。分析缺陷產(chǎn)生的原因，主要來自于兩以及二者在NiO半液體中的溶解度不同等，造成在生成的SiC納米線的反應(yīng)引在Si-NPA上原位生長SiC納米材料可以形成在納米尺度范圍內(nèi)的異質(zhì)結(jié)材料。由于SiCSi半導(dǎo)體之間存在較大的晶格失配，同時由于Si-NPA表面的SiCSi-NPA。這些缺陷和兩種半導(dǎo)體產(chǎn)生的晶格畸變均會對SiC/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)中載流子制有利于對納米SiC和Si-NPA之間的缺陷態(tài)的了解以及對整系的能帶結(jié)因此nw-SiC具有較大的長徑比。此外，將nw-SiC在具有柱狀陣列結(jié)構(gòu)的變化并會導(dǎo)致材料的發(fā)光性能改變。本文將SiC納米線在Si-NPA上，納米的能帶、缺陷能級以及激子能帶等信息的已被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的光nc-SiC/Si-NPA的I-V2070年代里，異質(zhì)結(jié)的生長工藝技術(shù)得到了很大的發(fā)展，化學(xué)氣相沉積、液相外延、分子束外延等先進(jìn)的材料生長方法使得異質(zhì)結(jié)的日趨完善。這些薄膜生長技術(shù)，不僅可以實現(xiàn)塊體異質(zhì)結(jié)材料的，同時也成就了納米尺度上的異質(zhì)結(jié)材料的。例如，采用分子束外延技術(shù)可以生長出厚度會進(jìn)一步，由此產(chǎn)生的各種量子限域效應(yīng)、非定域量子相干效應(yīng)以及量子體條件和表征已經(jīng)給出詳細(xì)了描述。采用CS-450型高真空蒸發(fā)實驗裝置nc-SiC/Si-NPA異質(zhì)結(jié)電極的具體過程如下然后用高濃度的HF酸溶液和無水乙醇對該底面進(jìn)行多次，去除表面殘留實時薄膜的厚度和沉積速率。得到的Ag薄膜電極的厚度為~20nm。厚度以保證得到~20nmAgI-V測試時，首先利用銀膠焊接銀絲的方法從器件兩邊引出導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)量。規(guī)定當(dāng)頂部電極接電源負(fù)極、背部電極接電源正極時，所加電圖3.2為室溫條件下測得的nc-SiC/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)器件的電流密度-（J-V）特性曲線。從該曲線中可以看出，當(dāng)施加正反不同的偏壓時，nc-長的速度明顯大于反向電流。當(dāng)正向電壓為5.0V時，正向電流密度可達(dá)105mAcm-2，當(dāng)電壓為-5.0V30mAcm-2，在-5.0V的測量范圍內(nèi)，nc-SiC/Si-NPA體系表現(xiàn)出一定的整流特由于正面電極g與納米SiC薄膜之間、背面電極g與單晶i之間均為歐姆接觸，在異質(zhì)結(jié)體系中對整流效應(yīng)起作用的可能源于兩個方面，即單獨源于nc-SiC薄膜與Si-A層之間，或單獨源于Si-NA層與單晶硅襯底之間，或上述兩者共同作用的結(jié)果。為了澄清SiAp-Si之間形成的結(jié)對于nc/-/p-Si納米異質(zhì)結(jié)整流性能的影響，本文測試了Si-/-Si的J-V3.3Si-/p-Si結(jié)構(gòu)的-特性曲線在正反兩向呈現(xiàn)很好的對稱性以及良好的線性特征，此結(jié)果說明在S-A表面納米層和單晶硅襯底之間沒有形成明顯的肖特基勢壘。因此可以認(rèn)為，在nci/p-Si異質(zhì)結(jié)體系中對整流效應(yīng)起作用的僅僅單獨源于nc-iC薄膜與Si-A層之間形成的nc-SiC/i異質(zhì)接觸勢壘。Mrti-Pala等174175]研究了多孔硅（PS）與單晶硅圖 室溫下測得的Si-NPA/p-Si結(jié)構(gòu)的J-V特性曲Aq/J0exp(Eg/KT Aq/Jexp(B

3/ kT)式中ΦB為電子發(fā)射時的勢壘高度Aq/Eg J0exp2kT 重要參數(shù)，該模型認(rèn)為，當(dāng)耗盡區(qū)僅有一個復(fù)合能級，且嚴(yán)格位于禁帶的時候，nw=2；而當(dāng)有多個復(fù)合能級在禁帶中分布時，n介于1~2之間。J0exp(Eac/kT 關(guān)，轉(zhuǎn)折點之上為隧穿機(jī)制，lnJ-V曲線的斜率與溫度無關(guān)。由圖可以看到，nc-SiC/Si-NPAlnJ-V曲線不是一條直線，電流密度隨解釋正向載流子的輸運。lnJ-V曲線明顯為一條折線，其轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在正向偏壓2.0V附近。電流密度增長速率的變化，可能是由于隨著施加電壓的不同，異n kT(lnJc-SiC和Si-NPA二者之間輸運不再滿足缺陷復(fù)合模型。為了研究在較高偏