一种La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于场发射冷阴极的一维纳米材料，具体涉及一种La原位掺杂一维纳米SiC材料，以提高其场发射性能的方法。
【背景技术】
[0002]SiC —维纳米材料是一种极具应用潜力的场发射冷阴极材料。近年来，有关SiC —维纳米材料的场发射性能研宄已取得了一些成果，Zhou Jin-yuan课题组在稀土金属催化下用静电纺丝技术制备了 SiC纳米棒，测得其开启电场为8V/ μ m(Zhou J.Y.，Chen Z.Y.，XuX.B., Zhou M., et al.Journal oftheAmerican Ceramic Society, 2010, 93:488 - 493.)；Li Zhen-jiang课题组制备出了 SiC纳米带，同时研宄了其场发射性能，测得其开启电场为3.2V/ μ m (MengA.L., Zhang M., Zhang J.L., Li Z.J..CrystEngComn, 2012, 14:6755-6760.)但是，为使SiC —维纳米材料能真正应用，还需进一步提高其场发射性能，使其获得更低的开启电场和阈值电场，这样就更有利于实现产业化。提高半导体材料场发射性能的一条非常有效途径就是对其进行掺杂，通过对SiC进行η型和P型掺杂可以改变SiC能带结构及载流子的传输机制，从而提高其场发射性能。
[0003]稀土元素具有许多特殊的物理化学性质，被广泛应用于各领域，成为发展尖端技术不可缺少的特殊材料。自从H.Ennen等人在1983年进行了半导体掺杂稀土元素的开创性研宄之后，(Ennen H, Schneider J, Pomrenke G, et.al.Appl.Phys.Lett.1983，43(10):943-945.)该领域一直受到日益增长的关注。大部分稀土离子(镧系离子)拥有部分未填充的4f壳层，该壳层电子之间的各种相互作用导致了离子间存在大量可参与电子跃迀的能级。稀土离子在SiC半导体中为施主态，鉴于其独特的电子层结构和易于产生激发电子的特性，故可用于改善宽带隙半导体SiC —维纳米材料的场发射性能。但实现高质量稀土元素掺杂SiC —维纳米材料的制备及对其场发射性能改善的研宄，鲜有文献报道。
[0004]本发明提出了一种工艺简单，且行之有效的稀土 La原位掺杂一维纳米SiC场发射阴极材料的方法。场发射性能检测结果表明，通过稀土 La原位掺杂，能使SiC —维纳米材料获得更低的开启电场(1.5ν/μπι)和阈值电场(5.1V/μπι)，对促进其实际应用于场发射冷阴极的制造，具有重大意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种提高SiC—维纳米材料场发射性能的方法:稀土 La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的方法。
[0006]本发明公开的一种稀土 La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)选用固态聚碳硅烷和氯化镧为反应原料，将反应原料置于玛瑙研钵中混合研磨30 ?40min ；
[0008]2)将石墨基片于超声波清洗机中清洗烘干后，浸入0.01mol/L的Ni (NO3)3乙醇溶液中，超声震荡5分钟，取出自然晾干，得到浸有催化剂的基片；
[0009]3)将研磨得到的混合原料置于石墨基片上，并用两层碳布将其隔开，一起放入石墨反应室，将石墨反应室放于真空气氛炉内；
[0010]4)对真空气氛炉抽真空至50?80Pa，以15°C /min的升温速率将炉温升至700?900 0C，保温lOmin，随后以相同的升温速率，继续升温至1200?1350°C，保温60?150min，实现稀土 La原位掺杂一维纳米SiC的制备；
[0011]5)对反应得到的La原位掺杂一维纳米SiC进行场发射性能测试。
[0012]与其它实现SiC —维纳米材料的掺杂以提高其场发射性能的方法相比，本发明的优点在于:1)本方法在制备SiC—维纳米材料的同时，实现了稀土 La的掺杂，并且所用原料种类少，工艺简单；2)与未掺杂的SiC—维纳米材料相比，所制备的La掺杂一维纳米SiC场发射材料具有更低的开启电场(1.5V/ μπι)和阈值电场值(5.1V/ μπι)，这样可以在很低的电压下产生较高的发射电流，更有利于实现产业化，有望应用于高性能场发射器件。
【附图说明】
[0013]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0014]图1为实施例1所制得La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的SEM照片；
[0015]图2为实施例1所制得La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的EDS分析；
[0016]图3为实施例1所制得La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的TEM照片；
[0017]图4为实施例1所制得La原位掺杂一维纳米SiC场发射材料的XRD图；
[0018]图5为实施例1、2、3所制备得到的不同La掺杂量及无La掺杂的SiC—维纳米材料的场发射J-E特性曲线和F-N关系曲线(室温)。
【具体实施方式】
[0019]以下结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明，但是这些实施例不以任何方式限制本发明的范围。
[0020]实施例1
[0021]选用国防科技大学研制的分子量为1000?2000的聚碳硅烷，中国国药集团化学试剂有限公司生产的分析纯氯化镧为原料，称取2g固体聚碳硅烷和2g氯化镧，放入玛瑙研钵中研磨40min ;选用直径为7cm，厚度为Imm且表面光洁的圆形石墨片作为反应基片，将石墨基片在超声波清洗机中清洗烘干后，浸入到预先配制的摩尔浓度为0.0lmol的Ni (NO3)3乙醇溶液中，超声振荡5min后取出，于空气中晾干备用；将研磨得到的混合原料放置在碳布上，将其放置在浸有催化剂的石墨基片上，置于石墨反应室内，然后将石墨反应室放入真空可控气氛炉内；启动真空系统，对真空可控气氛炉进行抽真空至50?80Pa，将高纯氩气通入真空炉并使炉内压力接近常压，再次启动机械泵，抽取真空，此过程重复三次，使炉内压力保持在50?80Pa ;以15°C /min的升温速率将炉温先升至900°C，保温lOmin，使聚碳硅烷进行交联固化，随后以相同的升温速率继续升温至1250°C，保温90min。关掉电源使炉温自然冷却至室温，在基片上得到较厚的一层蓝色产物，即为La原位掺杂SiC —维纳米材料。产物的SEM、EDS、TEM、XRD表征结果见图1、图2、图3和图4。结果表明，制备得到的产物直径较均匀，约为10nm左右，具有