基本信息
- 项目名称：
- 纳米碳化硅单晶体的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 创新点：（1）采用自制设备，为碳化硅单晶体的大规模生产提供了设备发展思路，利于产业化商业生产。（2）一步法。省去了连续生产过程中的附加成本以及产物提纯过程，为产品商业化生产提供了可能。 （3）纯度高。制备的碳化硅单晶体为3C-SiC（β-SiC）纯度高、结晶性好。
- 详细介绍：
- 碳化硅具有优秀的物理、化学性质，如： 1、硬度、耐磨性：SiC的高硬度的晶体可以切割红宝石。SiC的莫氏硬度为9.2-9.3，克氏硬度为3000 kg/mm2，很高的耐磨性。 2、热稳定性和高热导性：SiC的热导率超过了金属铜，大约是Si的三倍，因此SiC器件所产生的热量可以很快驱散，这对于大功率器件非常重要。SiC的热稳定性很高，在常压下不可能熔化SiC，在高温下，SiC升华并分解为碳和含硅的SiC蒸汽。 3、化学稳定性：SiC的化学性质极为稳定，耐腐蚀性极强，室温下常规腐蚀剂很难对其腐蚀。 4、优秀的电学性能：碳化硅材料的禁带宽度大约是硅的三倍。饱和漂移速度大，相当于硅的2.5倍，临界击穿电场更高，将近高于硅一个数量级。但是目前制备SiC纳米材料方法中主要存在以下缺点：产量低、有金属催化剂颗粒的污染、成本高、合成时间长等。因此，简单、批量和成本低廉制备SiC纳米材料的方法对于其能否走向大规模应用具有重要的意义。本作品采用自制氢电弧设备，以碳硅棒为原料，制备了优质的3C-SiC（β-SiC），既可以作为涂层材料、复合材料改性添加剂，也是一种良好的半导体原料，应用前景广阔。主要有以下创新点：（1）采用自制设备，为碳化硅单晶体的大规模生产提供了设备发展思路，利于产业化商业生产。（2）一步法。省去了连续生产过程中的附加成本以及产物提纯过程，为产品商业化生产提供了可能。 （3）纯度高。制备的碳化硅单晶体为3C-SiC（β-SiC）纯度高、结晶性好。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 半导体材料与生活息息相关，碳化硅作为第三代先进半导体材料，具有非常优异的物理、化学性质。作为改性粉体以及材料添加剂，碳化硅纳米晶体的制备既是基础，也是最关键的决定性因素。碳化硅的制备方法主要有升华法和外延生长法。虽然现在已经实现了工业生产，但存在着生产设备进口化，工艺复杂，后处理程序繁冗、产物不纯净的缺点本课题创新点在于：（1）采用自制设备，为碳化硅单晶体的大规模生产提供了设备发展思路，利于产业化商业生产。（2）一步法。省去了连续生产过程中的附加成本以及产物提纯过程，为产品商业化生产提供了可能。（3）纯度高。制备的碳化硅单晶体为3C-SiC（β-SiC）纯度高、结晶性好，
科学性、先进性
- 对于碳化硅单晶体的研究，已经有多年的历史，很多学者也提出了一些成功的制备方案。G.C. Xi、Z.J Li、R.B Wu、G.Z. Yang等通过多种方法，在实验室中制备了一维生长的碳化硅单晶体。但这些研究存在着以下几个问题：产量低、工艺复杂、产物有杂质等。本课题的提出，解决了工艺复杂和有杂质的问题，为工业生产提出了新的契机。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 专利权转让
作品可展示的形式
- 图片、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 碳化硅具有高的迁移率、优异的热稳定性和化学稳定性，在高频、大功率、耐高温、抗辐射等电子器件方面有着巨大的应用潜力。同时，碳化硅在陶瓷、高分子复合材料中可以作为添加剂，把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提高其耐磨性而延长使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火材料，耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。碳化硅在新能源、新材料领域，具有广阔的应用前景，并显示出巨大的经济效益。 此作品利用氢电弧设备，简单的工艺流程，制备了优质的3C-SiC（β-SiC），既可以作为涂层材料、复合材料改性添加剂，也是一种良好的半导体原料，应用前景广阔。
同类课题研究水平概述
- G.C. Xi (J Phys Chem B, 2004, 108: 20102)等以四氯化碳、乙醇、和锂粉为原料，600 °C下反应10h，并通过硫酸和氢氟酸的去杂过程，在高压釜中制备了一维生长的碳化硅单晶体；J.J. Niu (J Phys Chem B, 2007, 111: 4368)等在硅片上沉积碳和ZnS的反应，在1100°C 制备了单晶的碳化硅纳米线阵列；Z.J Li (J Phys Chem B, 2006, 110: 22382)等以硅粉和二氧化硅粉、丙烯为原料，通过球磨的方法，以阳极氧化铝为模板，在煅烧去模板后制备了一维生长的碳化硅单晶体；R.B Wu (Crystal Growth & Design, 2009, 9: 100)等以镍硅合金、硅粉和石墨为原料，通过球磨、煅烧过程，制备了以一维纳米线团簇组成的球状碳化硅；G.Z. Yang (J Phys Chem C, 2009, 113: 15969)等以煤粉、n型硅为原料，通过烧结制备了一维生长的碳化硅单晶体。A.M. Kueck (Nano Lett, 2008, 8: 2935)用高分辨透射电镜和原子力显微镜研究了稀土元素掺杂碳化硅的机械性能以及硬度。Y.J. Yang (J Phys Chem B, 2008, 112: 20126)用n型硅为硅源，乙醇为碳源，并通过后处理，得到了一维生长的碳化硅纳米线。
