基于性能导向的SiC纳米线基功能纳米复合材料的设计、可控制备及机理研究

Recently, it becomes possible for us to obtain a large mass of SiC nanowires accompanying with the intensive studies of large-scale preparation of SiC nanowires. However, if they will be used in the practical application, developing multifarious and effective new approaches for improving and optimizing various properties of SiC nanowires is a very challenging and urgent research subject. In this project, in order to promote and optimize the SiC nanowires properties of the field emission, photoluminescence, electrochemistry and superhydrophobic, SiC nanowires-based functional nanocomposites with outstanding performances are prepared via exploring new approaches and techniques. Main research contents including: 1) the field emission property is improved through heterogeneous coating and doping of SiC nanowires; the photoluminescence performance is promoted by controlling the thickness of outer coatings (SiO2) of SiC nanowires; the electrochemistry property is enhanced via decorating and modifying the surfaces of SiC nanowires using metal compounds; the superhydrophobicity is obtained through coating the surfaces of SiC nanowires with modifiers. On the basis of the theories of crystal growth, electronic state and surface and interface, the growth and performances optimization mechanisms of the above-mentioned different products are investigated systematically, which provides theoretical guidance for the design, controllable preparation and properties optimization of other semiconductor-based nanocomposits.

近年来，随着人们对大量制备SiC纳米线的深入研究，使其规模化生产成为可能。然而，要使这些大量SiC纳米线得到实际应用，开发多种有效新途径以探寻和优化SiC纳米线的各种性能，就成为了一项极具挑战而又亟待解决的研究课题。本项目以提升和优化SiC纳米线场发射、光致发光、电化学及超疏水性能为导向，通过探索新的途径和工艺方法以获得具有优异性能的SiC纳米线基功能纳米复合材料。主要研究内容包括：1）通过对SiC纳米线的异质包覆和掺杂改性以提升其场发射性能；通过调控SiC纳米线外包覆层（SiO2）厚度以提升其光致发光性能；通过采用金属化合物对SiC纳米线表面进行修饰及改性以提升其电化学性能；通过采用改性剂对SiC纳米线表面进行包覆以获得超疏水性能。2）基于晶体生长、电子态及表面与界面等理论，系统研究上述不同产物的生长机理和性能优化机理，为其它半导体基纳米复合材料的设计、可控制备及性能优化，提供理论指导。

完成了项目书中的全部内容：1）采用CVR法制备出具有良好场发射性能的带有不同功能性包覆层（ SiO2、c-C 晶体碳、a-C非晶碳）的SiC纳米线，并掌握了其关键制备技术。分别提出了交替式及异质外延形核-生长机理。建立了异质结构、肖特基势垒协同作用下的场发射性能优化机理；2）采CVR法制备了N-稀土（La或Ce）共掺杂SiC纳米线，并掌握了共掺杂关键技术。基于第一性原理和能带理论，从电子增殖与带隙变化两个角度阐释了N-稀土共掺杂SiC纳米线性能优化机理；3）通过系统研究各工艺参数对SiC纳米线外包覆层SiO2厚度的调控规律，获得了SiO2厚度可控的关键技术，推导出调控SiO2包覆层厚度的动力学方程，并获得了具有优异光致发光性能的产物；4）采用水热法+煅烧处理获得了具有优异电化学性能的SiC纳米线基功能纳米复合材料(SiC@NiCo2O4, SiC@NiCo2O4/NiO, SiC@CoNi2S4)，并掌握其关键制备技术。基于介观生长热、动力学及异质形核理论，提出了递次生长机理。基于相关基本理论建立了导电骨架与活性材料协同作用下的性能优化机理；5）采用化学包覆法对SiC纳米线及带有SiO2包覆层的SiC纳米线进行超疏水改性处理，获得优选工艺参数及具有超疏水性能的产物。同时，结合表/界面理论，揭示了产物表面呈现超疏水特性的基本原理以及改性剂与SiC纳米线表面的化学键合机制。 .开展了以下拓展性工作：1) 探讨了一步法制备Al掺杂SiC一维纳米材料，优选出了掺杂工艺参数，并对Al掺杂提高其性能的机理进行了研究；2）采用水热法+电沉积法制备了SiC@Co(OH)2/Ni3S2复合电极材料，获得了具有高电化学性能的电极材料和优选制备工艺；3)采用两段化学气相沉积法制备SiC@GR一维纳米复合材料，获得具有超疏水特性的纳米复合材料，并揭示了其生长机理和超疏水性的原因。.完成本项目取得的成果：获青岛市自然科学一、二等奖各1项，中石化协会科技进步二、三等奖各1项，山东省优秀科研成果一、二等奖各1项；申请国家发明专利19项，授权11项；发表论文74篇，其中SCI收录66篇，大于5.0的28篇；培养青年教师3名，博士3名，硕士23名，远超过项目计划中“发表高水平论文10~15篇，申请国家发明专利1~2项”的任务指标。所获得的创新性成果具有原创性，技术水平达到国内外同类技术的领先水水平。