CN115285996A - 一种在铜箔-石墨烯衬底上制备SiC纳米线网络薄膜的方法 - Google Patents

一种在铜箔-石墨烯衬底上制备SiC纳米线网络薄膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在铜箔‑石墨烯衬底上制备SiC纳米线网络p‑n结薄膜的方法，包括以下步骤：以铜箔‑石墨烯为阴电极，铂片为阳电极；将电极放置含有不同掺杂种类的SiC纳米线的电泳液中；结合电泳沉积、纳米线热压焊接和转移工艺，最终可以获得SiC纳米线网络pn结和pin结薄膜。该方法工艺简单，成本低，制备的薄膜面积大，高效率且安全易操作，有利于商业化大规模生产，制备出的SiC纳米线薄膜集成了一维纳米线和二维网络薄膜的优点，具有宏观尺寸的二维网络编织结构比由微米以上尺寸组成的结构具有更加优异的性能。另外，本发明提供了一个有效的自下而上的组装纳米结构的方式，且对低维纳米结构具有一定的普适性，可以借鉴到其他半导体纳米薄膜的制备。

Description

一种在铜箔-石墨烯衬底上制备SiC纳米线网络薄膜的方法
技术领域
本发明属于半导体纳米线材料制备技术领域，具体涉及一种在铜箔-石墨烯衬底上制备p-n结碳化硅纳米线薄膜的方法。
背景技术
作为第三代宽带隙半导体，碳化硅（SiC）是高性能半导体器件最重要的候选材料之一。当SiC材料的尺寸进入到纳米尺度后，除了继承了传统体材料的优点如热传导率高、热稳定性强、耐化学腐蚀、热膨胀系数低、热传导率高、化学稳定性能好、高的临界击穿电场和较高的电子饱和迁移率等特点外,还表现出很多不同于传统体材料的优异性能，如具有量子限域效应，小尺寸效应和表面效应等许多优良的性能，并且以SiC低维纳米结构构筑的微纳米器件有望实现基于单颗粒，单根尺寸的低功耗、更快的电子传输性能、高响应度、高开关比等性能的电子器件的制备。
近年来，随着“自下而上”由低维纳米结构自组装构成的纳米结构薄膜引起了科研工作者的广泛关注，这种纳米结构薄膜具有高多孔性、较好的柔韧性、高比表面积以及相互连接的孔道结构等特点。将一维纳米材料，如纳米线，纳米管等组装成宏观可见的薄膜材料，其显著不同于传统薄膜材料（外延单晶薄膜或者纳米颗粒组成的薄膜），这些膜材料既可以保留有一维纳米材料的特性，又能够作为一个宏观二维材料，具有二维易加工和与半导体平面加工工艺相兼容的特点，因而近来备受关注。更需要指出的是，由其延伸出的碳化硅纳米线同质p-n结薄膜不仅继承了膜材料的特点，具有独特的光、电、及优异的机械性，特别是具有优异的电学性能和无需支撑基底的可弯曲性、自撑结构薄膜其轻便、薄、柔软、可弯曲等特点成为制作柔性器件的材料之一。随着科学技术的快速发展，柔性器件因其便携性、形状可变性、人体适应性等诸多优点，可穿戴器件、医用可植入器件、电子皮肤以及智能电子织物等概念被不断提出，组成了未来人类生活蓝图的一部分。要想真正实现基于SiC纳米结构器件的应用，需要解决纳米线p-n结的制备问题，只有可控地制备高质量的SiC纳米线p-n结，才有可能确保基于SiC纳米器件商业化的可行性。据此，碳化硅纳米线同质p-n结薄膜的制备引起了研究者们的广泛兴趣，成为近年来国内外诸多学者的研究方向，具有很高的应用价值。
SiC纳米线薄膜已然成为新型半导体材料领域的研究热点。然而，目前所报道的SiC一维纳米材料几乎都集中在SiC纳米线薄膜的制备，碳化硅纳米线同质pn结薄膜的制备仍鲜有文献报道。如典型发明专利1（专利名：基于光电催化分解水制氢的碳化硅纳米线薄膜制备方法）、发明专利2（专利名：一种利用微波法制备碳化硅纳米线薄膜的方法）和发明专利3（专利名：碳化硅纳米线薄膜材料的制备方法），都介绍了制备SiC纳米线薄膜的方法。鉴于高质量SiC纳米线的生长温度一般是在1400 ℃以上，只能采用类似上述专利和文献报道中的高熔点衬底，如多为坩埚、陶瓷基板、石墨纸等衬底上的，而这些衬底不仅难于与半导体硅平面制备工艺相兼容，无法将这些纳米线薄膜加工成光电器件，还更为不利的是，生长在上述衬底上的纳米线薄膜大多是由随机生长的纳米线自组装而成。这些纳米线薄膜多为独立生长的纳米线单体，在衬底上生长分布也很随机，纳米线相互之间也不交联（将其用于器件很难形成电接触）。这种纳米线薄膜致密度较低，单位体积内所含纳米线个体较少，且孔隙较多，很难将其完整地从衬底脱离(脱离后将变为粉末)，显然很难将其应用到半导体集成电子器件当中。另外，制备上述纳米线薄膜还存在成本高，实验过程繁琐，周期长，能耗大，单炉制备的SiC纳米材料产量较小，炉与炉生长质量不一样，很难将其大规模应用于未来微纳光电器件。据此可见，制备高质量、大尺寸、同质p-n结碳化硅纳米线网络薄膜仍面临诸多问题，急需发展一种普适、大尺寸、高效率、低成本，最主要的是可以胜任SiC纳米光电柔性器件应用的制备的方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是实现在铜箔-石墨烯衬底上制备同质p-n结碳化硅纳米线网络薄膜的方法的研发。
本发明公开的一种在铜箔-石墨烯衬底上制备同质p-n结碳化硅纳米线网络薄膜的方法，包括以下步骤：
（1）碳化硅纳米线的处理：称取5 g制备的碳化硅气凝胶，分别在丙酮、无水乙醇，去离子水中超声清洗10～20 min，再浸入100～500 mL的98 %氢氟酸溶液中，在紫外光照射下超声分散0.5～3 h。超声结束后，静置30～500 min，倒出上清液（90～450 mL），剩下的溶液成为溶液A。再将溶液A加入一定量的去离子水（90～450 mL），再经紫外光超声分散处理和分离。重复上述步骤5～8次后，再将溶液A放入离心管经离心得到SiC纳米线，随后将其分散到去离子水中，再经离心处理，重复上述操作直至溶液PH为7，得到不含杂质、单分散、晶相为3C相，密度为3.21 g/cc，尺寸分布均匀的直径为50～300 nm，长度为10～100 μm的单晶碳化硅纳米线，干燥后储存待用。上述的碳化硅纳米线处理过程是处于超声浴的环境下进行，超声浴的参数：超声功率为150 W，溶液温度为30～50 ℃，紫外光参数为波长365 nm，光功率为5～10 W；
（2）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取0.05～0.2 g由步骤（2）得到的碳化硅纳米线和0.005～0.02 g的n型、p型掺杂源，碳化硅纳米线与n型、p型掺杂源的质量比为10:1，再将样品混合均匀后装入管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2 mm，封管后铂管内压强为1mTorr的铂管密封。将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（3）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（4）碳化硅纳米线悬浮液的配置：称取0.05～0.1 g碳化硅纳米线加入到100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并且加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动。经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（5）衬底处理：裁剪尺寸为1×1～10×10 cm2的单晶硅片，分别在丙酮，无水乙醇，去离子水中进行超声清洗15～20 min，取出放置60～80 ℃的烘箱中干燥10～20 min后存储待用；
（6）电泳沉积：将步骤（5）制备好的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2 cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的碳化硅纳米线薄膜；
（7）二次电泳沉积：将步骤（5）制备好的n型（或p型）碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（6）中已沉积p型（或n型）碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（8）纳米线焊接：将步骤（7）得到的样品放入等离子体键合机中进行焊接。首先采用氩等离子体在500～1000 ℃下对其表面处理5～60 min后，再施加5～10 MPa的力，温度在1000～1500 ℃高温炉中焊接30～60 min，实现大面积的碳化硅纳米的焊接，实现纳米线网络薄膜的制备；
（9）高温键合：将步骤（8）制备的纳米线薄膜进行表面结合增强处理。首先采用NH3等离子体在500～1000 ℃温度下处理5～60 min，再将其在1000～1200 ℃氩气保护下高温炉中恒温键合30～60 min；
（10）纳米线薄膜剥离和转移：将步骤（9）制备的纳米线薄膜放置在转速为500～900 rpm的匀胶机中，在薄膜表面均匀涂覆3～6滴PVA胶水溶液，每滴20～100 μL，待干燥后将薄膜物理剥离。最后通过去离子水洗涤去除薄膜表面PVA膜；
（11）蒸镀电极：通过热电子束蒸发在所制备薄膜表面蒸镀一层有序的镍电极阵列，蒸镀时间为5～20 min，相邻两电极间距为40～200 μm，电极厚度为100～300 nm；
（12）退火处理：将蒸镀完电极的薄膜放入真空退火炉中退火，退火温度为800～1000 ℃，升温速率为10～60 ℃/min，退火时间为60～200 min。
有益效果：相比于已报道的制备SiC纳米线薄膜的方法
（1）本发明的主要优点在于能够制备出高质量、电接触好、能应用到电子器件的同质p-n结SiC纳米线薄膜，这种薄膜不仅集成了一维纳米线的所有优点(电子沿着纳米线的轴向传输，具有电子传输快、能耗少的优点)和焊接而成的二维薄膜的优点(便于大规模器件集成)，而且还具有大尺寸、大比表面积、均匀致密的优点，纳米线与纳米线之间是经焊接形成，没有纳米线间的接触电阻和表面态对电子输运的影响，电子可以沿着网络从一根纳米线快速输运到另一根纳米线。另外，这种薄膜是自撑结构，具有无需支撑基底、可弯曲和转移、相邻的纳米线之间可以形成具有渗透/透气功能的纳米孔，因此可以实现优异的机械力学柔韧度、延展性、加工性和透气性，有利于其在医学和可植入人体器件的应用；
（2）本发明为制备电子器件用SiC纳米线薄膜提供了一个有效的自下而上的组装纳米结构的方式，这种方法具有工艺简单，成本低，制备的薄膜面积大，高效率且安全易操作；
（3）本发明采用溶液法在铜箔-石墨烯上制备的SiC纳米线同质p-n结网络薄膜，能够被轻松地剥离成薄层材料，不用考虑外延薄膜所遇到的晶格失配的问题。高质量同质p-n结、p-i-n结、n-p-n结、p-n-p结有望实现常规方法无法制备的功能网络薄膜，且具有优异的力学和电学性能和有助于在柔性领域应用的电子器件的应用；
（4）本发明对低维纳米结构网络p-n结薄膜具有一定的普适性，可以借鉴到其他半导体纳米p-n结薄膜的制备。另外，碳化硅纳米线在力学性能、电学性能等方面都要优于宏观尺寸的体材料，由纳米线组成的具有宏观尺寸的三维网络编织结构比由微米以上尺寸组成的结构具有更加优异的性能。同时，制备由纳米线组装的宏观尺寸三维编织结构也可以在宏观尺寸上探索碳化硅纳米线的性能，进一步发掘SiC纳米线的应用潜力。
附图说明
图1为本发明实施例一所制得的碳化硅纳米线气凝胶实物图；
图2为本发明实施例一所制得的碳化硅纳米线气凝胶的XRD图；
图3为本发明实施例一电泳沉积的机理图；
图４为本发明实施例一所制得的碳化硅纳米线薄膜的SEM图；
图5为本发明实施例一为碳化硅纳米线焊接后的SEM图；
图6为本发明实施例一为碳化硅纳米线高温键合后的SEM图；
图7为本发明实施例一为铜箔-石墨烯衬底上碳化硅纳米线功能复合网络薄膜的实物图；
图8为本发明实施例一为基于铜箔-石墨烯衬底碳化硅纳米线功能复合网络薄膜光电探测器件的原理图。
具体实施方式
为使本发明技术方案清晰明白，下面对本发明中的技术方案进行详细、完整地描述。
实施例一：在铜箔-石墨烯衬底上制备碳化硅纳米线焊接网络薄膜
（1）碳化硅纳米线的处理：称取5 g制备的碳化硅气凝胶，分别在丙酮、无水乙醇，去离子水中超声清洗10～20 min，再浸入100～500 mL的98 %氢氟酸溶液中，在紫外光照射下超声分散0.5～3 h。超声结束后，静置30～500 min，倒出上清液（90～450 mL），剩下的溶液为溶液A。再将溶液A加入一定量的去离子水（90～450 mL），再经紫外光超声分散处理和分离。重复上述步骤5～8次后，再将溶液A放入离心管经离心得到SiC纳米线，随后将其分散到去离子水中，再经离心处理，重复上述操作直至溶液PH为7，得到不含杂质、单分散、晶相为3C相，密度为3.21 g/cc，尺寸分布均匀的直径为50～300 nm，长度为10～100 μm的单晶碳化硅纳米线，干燥后储存待用。上述的碳化硅纳米线处理过程是处于超声浴的环境下进行，超声浴的参数：超声功率为150 W，溶液温度为30～50 ℃，紫外光参数为波长365 nm，光功率为5～10 W；
（2）碳化硅纳米线悬浮液的配置：称取0.05～0.1 g步骤（1）中制备的碳化硅纳米线加入到100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动，经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（3）衬底处理：裁剪尺寸为1×1～10×10 cm2的铜箔-石墨烯衬底，分别在丙酮，无水乙醇，去离子水中进行超声清洗15～20 min，取出放置60～80 ℃的烘箱中干燥10～20min后存储待用；
（4）电泳沉积：将步骤（2）制备好的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2 cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的碳化硅纳米线薄膜；
（5）纳米线焊接：将步骤（7）得到的样品放入等离子体键合机中进行焊接。首先采用氩等离子体在500～1000 ℃下对薄膜表面处理5～60 min后，再施加5～10 MPa的力，在温度为1000～1500 ℃的高温炉中焊接30～60 min，实现大面积的同质p-n结结构碳化硅纳米线网络薄膜的制备；
（6）高温键合：将步骤（8）制备的纳米线薄膜进行表面结合增强处理。首先采用NH3等离子体在500～1000 ℃温度下处理5～60 min，再将其在1000～1200 ℃氩气保护下高温炉中恒温键合30～60 min；
（7）纳米线薄膜剥离和转移：将步骤（8）制备的纳米线薄膜放置在转速为500～900rpm的匀胶机中，在薄膜表面均匀涂覆3～6滴PVA胶水溶液，每滴20～100 μL，待干燥后将薄膜物理剥离。最后通过去离子水洗涤去除薄膜表面PVA膜；
（8）蒸镀电极：通过热电子束蒸发在所制备薄膜表面蒸镀一层有序的镍电极阵列，蒸镀时间为5～20 min，相邻两电极间距为40～200 μm，电极厚度为100～300 nm；
（9）退火处理：将蒸镀完电极的薄膜放入真空退火炉中退火，退火温度为800～1000 ℃，升温速率为10～60 ℃/min，退火时间为60～200 min。
实施例二：在铜箔-石墨烯衬底上制备碳化硅p-n结纳米线焊接网络薄膜
（1）与实施例一步骤（1）相同；
（2）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取0.05～0.2 g的碳化硅纳米线，0.005～0.02 g的p型掺杂源硼烷氨和0.005～0.02 g的n型掺杂源红磷，碳化硅纳米线与p，n型掺杂源的质量比为10:1，再将样品混合均匀后装入管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2 mm，封管后铂管内压强为1 mTorr的铂管密封。将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（3）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（4）p型掺杂和n型掺杂碳化硅纳米线悬浮液的配置：分别称取0.05～0.1 g步骤（2）中制备的p型及n型掺杂的碳化硅纳米线加入到不同的100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并分别向两种溶液中加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动，经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（5）与实施例一步骤（3）相同；
（6）电泳沉积：将步骤（4）制备好的n（p）型碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2 cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的n型碳化硅纳米线薄膜；
（7）二次电泳沉积：将步骤（4）制备好的p（n）型碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（6）中沉积n型碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（8）与实施例一步骤（5）相同；
（9）与实施例一步骤（6）相同；
（10）与实施例一步骤（7）相同；
（11）与实施例一步骤（8）相同；
（12）与实施例一步骤（9）相同。
实施例三：在铜箔-石墨烯衬底上制备碳化硅p-i-n结纳米线焊接网络薄膜
（1）与实施例一步骤（1）相同；
（2）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取0.05～0.2 g的碳化硅纳米线，0.005～0.02 g的p型掺杂源硼烷氨和0.005～0.02 g的n型掺杂源红磷，碳化硅纳米线与p，n型掺杂源的质量比为10:1，再将样品混合均匀后装入管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2 mm，封管后铂管内压强为1 mTorr的铂管密封。将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（3）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对步骤（2）制得的样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（4）p型掺杂，n型掺杂及本征碳化硅纳米线悬浮液的配置：分别称取0.05～0.1 g步骤（2）中制备的p型，n型掺杂及本征碳化硅纳米线加入到不同的100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并分别向三种溶液中加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动，经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（5）与实施例一步骤（3）相同；
（6）电泳沉积：将步骤（4）制备好的n（p）型碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2 cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的n型碳化硅纳米线薄膜；
（7）与实施例一步骤（4）相同；
（8）三次电泳沉积：将步骤（4）制备好的p（n）型碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（7）中沉积n型及未掺杂碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（9）实施例一步骤（5）相同；
（10）与实施例一步骤（6）相同；
（11）与实施例一步骤（7）相同；
（12）与实施例一步骤（8）相同；
（13）与实施例一步骤（9）相同。
实施例四：在铜箔-石墨烯衬底上制备碳化硅n-p-n结纳米网络薄膜
（1）与实施例一步骤（1）相同；
（2）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取0.05～0.2 g的碳化硅纳米线，0.005～0.02 g的p型掺杂源硼烷氨和0.005～0.02 g的n型掺杂源红磷，硝酸铵。碳化硅纳米线与p，n型掺杂源的质量比为10:1，再将样品混合均匀后装入管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2mm，封管后铂管内压强为1 mTorr的铂管密封。将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（3）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对步骤（2）获得的样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（4）p型掺杂和n型掺杂碳化硅纳米线悬浮液的配置：分别称取0.05～0.1 g步骤（2）中制备的p型及n型掺杂的碳化硅纳米线加入到不同的100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并分别向三种溶液中加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动，经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（5）与实施例一步骤（3）相同；
（6）电泳沉积：将步骤（4）制备好的n型红磷掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的n型碳化硅纳米线薄膜；
（7）二次电泳沉积：将步骤（4）制备好的p型硼烷氨掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（6）中沉积n型碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（8）三次电泳沉积：将步骤（4）制备好的n型硝酸铵掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（7）中沉积n-p型碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质n-p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（9）与实施例一步骤（5）相同；
（10）与实施例一步骤（6）相同；
（11）与实施例一步骤（7）相同；
（12）与实施例一步骤（8）相同；
（13）与实施例一步骤（9）相同。
实施例五：在铜箔-石墨烯衬底上制备碳化硅p-n-p结纳米网络薄膜
（1）与实施例一步骤（1）相同；
（2）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取0.05～0.2 g的碳化硅纳米线，0.005～0.02 g的p型掺杂源硼烷氨，氯化铝和0.005～0.02 g的n型掺杂源红磷。碳化硅纳米线与p，n型掺杂源的质量比为10:1，再将样品混合均匀后装入管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2mm，封管后铂管内压强为1 mTorr的铂管密封。将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（3）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对步骤（2）获得的样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（4）p型掺杂和n型掺杂碳化硅纳米线悬浮液的配置：分别称取0.05～0.1 g步骤（2）中制备的p型及n型掺杂的碳化硅纳米线加入到不同的100 mL异丙醇或乙二醇溶液中，并分别向三种溶液中加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动，经紫外超声分散30～50 min形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（5）与实施例一步骤（3）相同；
（6）电泳沉积：将步骤（4）制备好的p型硼烷氨掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，电极间距为0.5～2 cm，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压50～100 V，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的n型碳化硅纳米线薄膜；
（7）二次电泳沉积：将步骤（4）制备好的n型红磷掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（6）中沉积p型碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质p-n结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（8）三次电泳沉积：将步骤（4）制备好的p型氯化铝掺杂的碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（7）中沉积p-n型碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的同质p-n-p结结构的碳化硅纳米线薄膜；
（9）与实施例一步骤（5）相同；
（10）与实施例一步骤（6）相同；
（11）与实施例一步骤（7）相同；
（12）与实施例一步骤（8）相同；
（13）与实施例一步骤（9）相同。
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种在铜箔-石墨烯衬底上制备SiC纳米线p-n结功能复合网络薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）碳化硅气凝胶的制备：将聚碳硅烷和乙烯基化合物溶解于有机溶剂中，在70～90℃无氧条件下，Karstedt催化剂催化反应4～8 h，得到聚碳硅烷凝胶，随后将其经干燥后得到聚碳硅烷气凝胶，再将聚碳硅烷气凝胶经过热处理得到碳化硅/碳前躯体气凝胶，最后将其和稻壳炭和硅按一定比例混合在无氧氩气保护条件下1000～1800 ℃煅烧0.5～5 h，得到碳化硅气凝胶；
（2）碳化硅纳米线的处理：称取1～5 g步骤（1）制备的碳化硅气凝胶，分别在丙酮、去离子水中超声清洗10～20 min，再浸入100～500 mL的98 %氢氟酸溶液中,在紫外光照射下超声分散0.5～3 h，超声结束后，静置30～500 min，倒出上清液（90～450 mL）到一烧杯中，剩下的溶液成为溶液A，再将溶液A加入一定量的去离子水（90～450 mL），再经紫外光超声分散处理和分离，重复上述步骤5～8次后，将溶液A放入离心管经离心得到SiC纳米线，随后将其分散到去离子水中，再经离心处理，重复上述操作直至溶液PH为7，得到不含杂质、单分散、尺寸分布均匀的单晶碳化硅纳米线，干燥后储存待用；
（3）碳化硅纳米线的掺杂处理：分别称取一定量由步骤（1）得到的样品和n型、p型掺杂源混合均匀后装入铂管密封，将密封后的铂管放入马弗炉中加热，升温速率为每分钟升3～10 ℃，加热温度为1000～1400 ℃，保温时间为60～600 min，待加热完成后样品随炉自然冷却到室温后取出；
（4）碳化硅纳米线的退火处理：采用管式炉对步骤(3)制备的样品进行退火，退火处理温度为500～1000 ℃，退火时间为60～120 min；
（5）碳化硅纳米线悬浮液的配置：称取一定量碳化硅纳米线气凝胶，十二烷基苯磺酸钠及硝酸铝加入到异丙醇或乙二醇溶液中，经紫外超声分散30～50 min后形成稳定的悬浮液,超声完成后将其低温储存待用；
（6）衬底处理：裁剪尺寸为1×1～10×10 cm2的铜箔-石墨烯衬底，分别在丙酮，无水乙醇，去离子水中进行超声清洗15～20 min，取出放置60～80 ℃的烘箱中干燥10～20 min后存储待用；
（7）电泳沉积：将步骤（5）制备好的p型（或n型）碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的p型（或n型）碳化硅纳米线薄膜；
（8）二次电泳沉积：将步骤（6）制备好的n型（或p型）碳化硅纳米线悬浮液作为电泳沉积液，以步骤（7）中已沉积p型（或n型）碳化硅纳米线薄膜的铜箔-石墨烯衬底为阴电极，铂片为阳电极，将电极放置沉积液中，采用直流电源作为电泳仪，施加恒定电压，在磁力搅拌器对溶液进行搅拌的情况下电泳沉积6～15 min，获得沉积均匀且致密的p-n结结构的碳化硅纳米线网络薄膜；
（9）纳米线焊接：将步骤（8）得到的样品放入等离子体键合机中进行焊接，首先采用氩等离子体在500～1000 ℃下对薄膜表面处理5～60 min后，再施加5～10 MPa的力，在温度为1000～1500 ℃的高温炉中焊接30～60 min，实现大面积的碳化硅纳米线的焊接，实现纳米线网络p-n结薄膜的制备；
（10）高温键合：将步骤（9）制备的纳米线薄膜进行表面结合增强处理，首先采用NH3等离子体在500～1000 ℃温度下处理5～60 min，再将其在1000～1200 ℃氩气保护下高温炉中恒温键合30～60 min；
（11）纳米线薄膜剥离和转移：将步骤（9）制备的纳米线薄膜放置在转速为500～900rpm的匀胶机中，在薄膜表面均匀涂覆3～6滴PVA胶水溶液，每滴20～100 μL，待干燥后将薄膜物理剥离，最后通过去离子水洗涤去除薄膜表面PVA膜；
（12）蒸镀电极：通过热电子束蒸发在所制备薄膜表面蒸镀一层有序的镍电极阵列，蒸镀时间为5～20 min，相邻两电极间距为40～200 μm，电极厚度为100～300 nm；
（13）退火处理：将蒸镀完电极的薄膜放入真空退火炉中退火，退火温度为800～1000℃，升温速率为10～60 ℃/min，退火时间为60～200 min。
2.根据权利要求1步骤（1）中所述的乙烯基化合物含有二个或二个以上的乙烯基；聚碳硅烷和乙烯基化合物在有机溶剂中的总浓度为0.03～0.3 g/mL，有机溶剂选自环己烷、甲苯、二甲苯或自苯中的一种；干燥是指超临界干燥或冷冻干燥。
3.根据权利要求1步骤（1）中所述的碳化硅/碳前躯体气凝胶、稻壳炭和硅按一定比例混合，比例分别为1～0.5：0.8：0.1～0.3，其中稻壳炭为商业化的粒度为200目，纯度为99%。
4.根据权利要求1步骤（1）中所述的碳化硅凝胶是由碳热还原法制备的，晶相为3C相，密度为3.21 g/cc。
5.根据权利要求1步骤（2）中所述的SiC纳米线处理过程是处于紫外光辐射和超声浴的环境下进行，超声浴的参数：超声功率为150 W，溶液温度为20～30 ℃，紫外光参数为波长365 nm，光功率为5～10 W。
6.根据权利要求1步骤（3）中所述的尺寸分布均匀的单晶碳化硅纳米线直径为50～300nm，长度为大于100 μm。
7.根据权利要求1步骤（3）中所述的密封铂管所含样品原料为：经步骤（1）得到碳化硅原料为0.05～0.2 g，n型、p型掺杂源为0.005～0.02 g，碳化硅与氯化铵(氯化铝)或n型、p型掺杂源的质量比为10:1。
8.根据权利要求1步骤（3）中所述的n型或p型掺杂源可优选为：n型掺杂源有：三聚氢胺，碳酸氢氨，硝酸氨，尿素，草酸，红磷，黑磷，P型掺杂源有:硼，铝，硝酸铝，氯化铝，氯化硼。
9.根据权利要求1步骤（3）中所述的密封铂管参数为：管长15 cm，管内径1 cm，管壁厚2mm，封管后铂管内压强为1毫托。
10.根据权利要求1步骤（5）中所述，每百毫升异丙醇或乙二醇中加入0.05～0.1 g的SiC纳米线，并且加入0.075 g十二烷基苯磺酸钠和0.0025 g硝酸铝分别作为分散剂和导电溶质,实现纳米线在静电场的定向移动。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104934108A (zh) * 2014-12-31 2015-09-23 重庆元石石墨烯技术开发有限责任公司 金属纳米线—石墨烯桥架结构复合材料及其制备方法
CA2898513A1 (en) * 2015-07-27 2017-01-27 Stephan HEATH Methods, products, and systems relating to making, providing, and using nanocrystalline (nc) products comprising nanocrystalline cellulose (ncc), nanocrystalline (nc) polymers and/or nanocrystalline (nc) plastics or other nanocrystals of cellulose composites or structures, in combination with other materials

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104934108A (zh) * 2014-12-31 2015-09-23 重庆元石石墨烯技术开发有限责任公司 金属纳米线—石墨烯桥架结构复合材料及其制备方法
CA2898513A1 (en) * 2015-07-27 2017-01-27 Stephan HEATH Methods, products, and systems relating to making, providing, and using nanocrystalline (nc) products comprising nanocrystalline cellulose (ncc), nanocrystalline (nc) polymers and/or nanocrystalline (nc) plastics or other nanocrystals of cellulose composites or structures, in combination with other materials

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115312373A (zh) * 2022-08-19 2022-11-08 沈阳大学 一种SiC纳米线功能薄膜的制备方法

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