N、Ce及N/Ce掺杂SiC-维纳米的制备、场发射性能及第一性原理研究
发布时间：2022-09-17 18:08
SiC一维纳米材料因其较好的场发射性能,稳定的化学特性以及优异的电子亲和性,故可作为极端环境的场发射阴极材料。经元素掺杂后,可进一步增强其场发射性能,降低开启与阈值电场。本文系统研究了N掺杂SiC一维纳米材料,Ce掺杂以及Ce/N共掺杂SiC纳米线的掺杂工艺,并在大量SEM、TEM、XRD、XPS以及场发射性能测试的基础上,优选了掺杂工艺参数。利用材料分析软件（material studio）中的Cast ep模块对经元素掺杂后SiC的能带结构进行计算,通过计算结果分析,解释了经N、Ce以及N/Ce共掺杂后场发射性能增强的原因,并提出了新的场发射机理模型。主要结果如下：系统研究了不同渗氮温度与不同渗氮时间对SiC纳米线中氮掺杂量的影响,并根据场发射性能测试优选了掺杂工艺：当渗氮温度为800℃,渗氮时间为180min时有最优的场发射性能,此时开启电场为0.8 V/μm,阈值电场为4 V/μm。对不同氮掺杂量以及不同氮取代位置的SiC晶体进行第一性原理模拟,结合场发射性能测试以及产物的XPS分析结果,确定了氮原子在SiC晶格中的替代位置。在N掺杂SiC纳米线最优掺杂工艺的基础上,制备了具有...
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 引言
1.2 一维纳米材料研究概述
1.2.1 一维纳米材料的特性和应用
1.2.2 宽带隙半导体材料简介
1.3 本征半导体SiC
1.3.1 SiC的晶体结构
1.3.2 SiC的能带结构
1.3.3 SiC的物理和化学性质
1.3.4 SiC材料的性能
1.4 SiC的掺杂
1.4.1 SiC的掺杂方法
1.4.2 SiC的n型和p型掺杂
1.4.3 稀土掺杂SiC的研究简介
1.5 场发射的基本原理及SiC一维纳米材料的场发射研究
1.5.1 场发射的基本原理
1.5.2 场发射理论及研究意义
1.5.3 SiC一维纳米材料场发射研究概况
1.6 密度泛函理论及material studio软件介绍
1.6.1 密度泛函理论简介
1.6.2 Hohenberg-Kohn理论
1.6.3 Kohn-Sham方程
1.7 本文选题依据、主要研究内容及创新点
1.7.1 本文的选题依据
1.7.2 本文的研究内容
1.7.3 本文的主要创新点
2 N、Ce及N/Ce共掺杂sic一维纳米材料的制备及表征方法
2.1 实验所用仪器与原材料
2.2 实验所用材料及预处理
2.2.1 碳源的预处理
2.2.2 硅源的预处理
2.2.3 稀土源
2.2.4 催化剂的制备
2.2.5 基片的预处理
2.2.6 氮源和保护气体
2.3 实验方法
2.3.1 实验装置
2.3.2 N掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.3.3 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的制备工艺
2.3.4 Ce掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.3.5 Ce与N共掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.4 SiC一维纳米材料的场发射性能研究
2.4.1 场发射性能测试装置
2.4.2 超高真空系统
2.4.3 场发射性能评价参数
2.5 SiC一维纳米材料的主要表征方法
2.5.1 扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析
2.5.2 透射电镜(TEM)与选区电子衍射分析(SAED)
2.5.3 X射线衍射分析(XRD)
2.5.4 X射线光电子能谱分析(XPS)
3 N掺杂SiC一维纳米材料
3.1 掺氮温度对N掺杂SiC纳米线的影响
3.1.1 掺氮工艺参数
3.1.2 产物微观形貌与结构分析
3.1.3 产物的元素分析
3.1.4 氨气气氛下N掺杂SiC纳米线的掺N机理研究
3.1.5 产物的场发射性能测试
3.2 掺氮时间对N掺杂SiC纳米线的影响
3.2.1 掺氮工艺参数
3.2.2 不同渗N时间SiC一维纳米材料的场发射测试
3.2.3 优选产物的微观形貌
3.3 N掺杂SiC的DFT计算及分析
3.4 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的场发射性能研究
3.4.1 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的制备
3.4.2 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的微观形貌分析
3.4.3 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的结构分析
3.4.4 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的XPS分析
3.5 场发射的三段模型机理
3.6 本章小结
4 Ce掺杂SiC纳米线的场发射性能研究以及第一性原理分析
4.1 Ce掺杂SiC纳米材料的工艺参数
4.2 不同Ce掺杂量SiC纳米线场发射性能的研究
4.3 产物的微观形貌分析
4.4 Ce掺杂SiC纳米线的结构分析
4.5 Ce掺杂SiC纳米线的掺杂机理分析
4.6 Ce掺杂SiC纳米线的第一性原理分析
4.7 Ce掺杂改善SiC纳米线的场发射机理分析
4.8 本章小结
5 Ce、N共掺杂对SiC纳米线场发射性能的影响
5.1 掺氮温度不同对Ce、N共掺杂SiC纳米线场发射性能的影响
5.1.1 掺N工艺参数
5.1.2 产物的场发射性能
5.1.3 产物的微观形貌
5.1.4 产物的能谱分析
5.1.5 产物的结构分析
5.1.6 Ce与N共掺杂SiC的掺杂机理分析
5.2 掺氮时间不同对Ce、N共掺杂SiC纳米线场发射性能的影响
5.2.1 掺氮工艺参数
5.2.2 Ce、N共掺杂SiC一维纳米材料的场发射测试
5.2.3 Ce、N共掺杂SiC纳米线的形貌与结构分析
5.2.4 Ce、N共掺杂SiC纳米线的场发射性能增强机理
5.3 本章小结
6 结论与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]La或N掺杂SiC纳米线的制备、场发射性能及第一性原理计算[J]. 李镇江,马凤麟,张猛,宋冠英,孟阿兰. 物理化学学报. 2015(06)
[2]合成一维β-SiC纳米材料原料粉体的球磨工艺研究[J]. 李镇江,万里冰,孟阿兰,高卫东. 材料开发与应用. 2008(06)
[3]一维纳米材料的合成与应用[J]. 徐小勇,胡学兵,施卫国,向芸. 硅酸盐通报. 2008(06)
[4]铈掺杂氧化铝薄膜的蓝紫色发光特性[J]. 廖国进,闫绍峰,巴德纯. 物理学报. 2008(11)
[5]Influence of Lanthanum on Synthesizing of SiC Nanometer Powder[J]. 张宁,龙海波,王柳燕,才庆魁. Journal of Rare Earths. 2007(S2)
[6]射频磁控溅射制备ZnO∶Ga透明导电膜及特性[J]. 余旭浒,马瑾,计峰,王玉恒,王翠英,马洪磊. 半导体学报. 2005(02)
[7]一维GaN纳米材料生长方法[J]. 李忠,杨利,薛成山. 电子元件与材料. 2004(02)
[8]Si和Si尖上纳米金刚石场电子发射性质的研究[J]. 廖克俊,王万录,吕建伟,孙晓楠,王蜀霞. 光电子技术. 2003(04)
[9]拉曼光谱方法研究SiC晶体的晶型[J]. 冯敏,王玉芳,郝建民,蓝国祥. 光散射学报. 2003(03)
[10]GaN——第三代半导体的曙光[J]. 梁春广,张冀. 半导体学报. 1999(02)
硕士论文
[1]低维材料的第一性原理研究[D]. 周晓强.兰州大学 2011
本文编号：3679704
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 引言
1.2 一维纳米材料研究概述
1.2.1 一维纳米材料的特性和应用
1.2.2 宽带隙半导体材料简介
1.3 本征半导体SiC
1.3.1 SiC的晶体结构
1.3.2 SiC的能带结构
1.3.3 SiC的物理和化学性质
1.3.4 SiC材料的性能
1.4 SiC的掺杂
1.4.1 SiC的掺杂方法
1.4.2 SiC的n型和p型掺杂
1.4.3 稀土掺杂SiC的研究简介
1.5 场发射的基本原理及SiC一维纳米材料的场发射研究
1.5.1 场发射的基本原理
1.5.2 场发射理论及研究意义
1.5.3 SiC一维纳米材料场发射研究概况
1.6 密度泛函理论及material studio软件介绍
1.6.1 密度泛函理论简介
1.6.2 Hohenberg-Kohn理论
1.6.3 Kohn-Sham方程
1.7 本文选题依据、主要研究内容及创新点
1.7.1 本文的选题依据
1.7.2 本文的研究内容
1.7.3 本文的主要创新点
2 N、Ce及N/Ce共掺杂sic一维纳米材料的制备及表征方法
2.1 实验所用仪器与原材料
2.2 实验所用材料及预处理
2.2.1 碳源的预处理
2.2.2 硅源的预处理
2.2.3 稀土源
2.2.4 催化剂的制备
2.2.5 基片的预处理
2.2.6 氮源和保护气体
2.3 实验方法
2.3.1 实验装置
2.3.2 N掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.3.3 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的制备工艺
2.3.4 Ce掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.3.5 Ce与N共掺杂SiC纳米线的制备工艺
2.4 SiC一维纳米材料的场发射性能研究
2.4.1 场发射性能测试装置
2.4.2 超高真空系统
2.4.3 场发射性能评价参数
2.5 SiC一维纳米材料的主要表征方法
2.5.1 扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析
2.5.2 透射电镜(TEM)与选区电子衍射分析(SAED)
2.5.3 X射线衍射分析(XRD)
2.5.4 X射线光电子能谱分析(XPS)
3 N掺杂SiC一维纳米材料
3.1 掺氮温度对N掺杂SiC纳米线的影响
3.1.1 掺氮工艺参数
3.1.2 产物微观形貌与结构分析
3.1.3 产物的元素分析
3.1.4 氨气气氛下N掺杂SiC纳米线的掺N机理研究
3.1.5 产物的场发射性能测试
3.2 掺氮时间对N掺杂SiC纳米线的影响
3.2.1 掺氮工艺参数
3.2.2 不同渗N时间SiC一维纳米材料的场发射测试
3.2.3 优选产物的微观形貌
3.3 N掺杂SiC的DFT计算及分析
3.4 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的场发射性能研究
3.4.1 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的制备
3.4.2 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的微观形貌分析
3.4.3 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的结构分析
3.4.4 N掺杂SiO_2包覆SiC同轴纳米电缆的XPS分析
3.5 场发射的三段模型机理
3.6 本章小结
4 Ce掺杂SiC纳米线的场发射性能研究以及第一性原理分析
4.1 Ce掺杂SiC纳米材料的工艺参数
4.2 不同Ce掺杂量SiC纳米线场发射性能的研究
4.3 产物的微观形貌分析
4.4 Ce掺杂SiC纳米线的结构分析
4.5 Ce掺杂SiC纳米线的掺杂机理分析
4.6 Ce掺杂SiC纳米线的第一性原理分析
4.7 Ce掺杂改善SiC纳米线的场发射机理分析
4.8 本章小结
5 Ce、N共掺杂对SiC纳米线场发射性能的影响
5.1 掺氮温度不同对Ce、N共掺杂SiC纳米线场发射性能的影响
5.1.1 掺N工艺参数
5.1.2 产物的场发射性能
5.1.3 产物的微观形貌
5.1.4 产物的能谱分析
5.1.5 产物的结构分析
5.1.6 Ce与N共掺杂SiC的掺杂机理分析
5.2 掺氮时间不同对Ce、N共掺杂SiC纳米线场发射性能的影响
5.2.1 掺氮工艺参数
5.2.2 Ce、N共掺杂SiC一维纳米材料的场发射测试
5.2.3 Ce、N共掺杂SiC纳米线的形貌与结构分析
5.2.4 Ce、N共掺杂SiC纳米线的场发射性能增强机理
5.3 本章小结
6 结论与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]La或N掺杂SiC纳米线的制备、场发射性能及第一性原理计算[J]. 李镇江,马凤麟,张猛,宋冠英,孟阿兰. 物理化学学报. 2015(06)
[2]合成一维β-SiC纳米材料原料粉体的球磨工艺研究[J]. 李镇江,万里冰,孟阿兰,高卫东. 材料开发与应用. 2008(06)
[3]一维纳米材料的合成与应用[J]. 徐小勇,胡学兵,施卫国,向芸. 硅酸盐通报. 2008(06)
[4]铈掺杂氧化铝薄膜的蓝紫色发光特性[J]. 廖国进,闫绍峰,巴德纯. 物理学报. 2008(11)
[5]Influence of Lanthanum on Synthesizing of SiC Nanometer Powder[J]. 张宁,龙海波,王柳燕,才庆魁. Journal of Rare Earths. 2007(S2)
[6]射频磁控溅射制备ZnO∶Ga透明导电膜及特性[J]. 余旭浒,马瑾,计峰,王玉恒,王翠英,马洪磊. 半导体学报. 2005(02)
[7]一维GaN纳米材料生长方法[J]. 李忠,杨利,薛成山. 电子元件与材料. 2004(02)
[8]Si和Si尖上纳米金刚石场电子发射性质的研究[J]. 廖克俊,王万录,吕建伟,孙晓楠,王蜀霞. 光电子技术. 2003(04)
[9]拉曼光谱方法研究SiC晶体的晶型[J]. 冯敏,王玉芳,郝建民,蓝国祥. 光散射学报. 2003(03)
[10]GaN——第三代半导体的曙光[J]. 梁春广,张冀. 半导体学报. 1999(02)
硕士论文
[1]低维材料的第一性原理研究[D]. 周晓强.兰州大学 2011
本文编号：3679704
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3679704.html
