SiC一维纳米材料的掺杂和修饰改性及其场发射性能研究

具有良好场发射性能的冷阴极材料是实现"后平板时代显示器"-场发射平板显示器、大屏幕液晶显示器背光模组及场发射照明光源生产的基础。然而如何获得能满足应用要求的冷阴极材料，是一个极具挑战性的课题。本项目在前期工作的基础上，创新性地开展N、稀土以及N-稀土共掺杂和修饰改性SiC一维纳米材料的可控制备研究，并获得具有优异场发射性能的产物。此外，在大量实验和系统表征的基础上，研究掺杂和修饰改性以及性能优化机理，建立相应的理论模型。主要研究内容：1）系统研究化学气相反应、氨气气氛下高温煅烧、活性屏等离子处理等工艺方法和工艺参数对N掺杂，以及化学气相反应法各工艺参数对稀土和N-稀土共掺杂和修饰改性的SiC一维纳米材料组成、形貌及性能等的影响规律；2）以介观生长热、动力学、晶体生长及扩散等理论为依据，深入研究掺杂和修饰改性机理；3）利用基于密度泛函理论的第一性原理和能带理论，系统研究场发射性能的优化机理。

已完成任务书中的全部研究内容：1）以C3H6N6 为氮源，通过系统研究反应温度、保温时间、原料配比等工艺参数对合成产物及场发射性能的影响规律，获得了一步法原位N掺杂SiC一维纳米材料的关键制备技术和优选工艺；2）以氨气为氮源，通过系统研究掺N温度和掺N时间等工艺参数对合成产物及场发射性能的影响规律，获得了两步法N掺杂SiC一维纳米材料的关键制备技术和优选工艺；3）通过系统研究H2、N2等离子体修饰对SiC一维纳米材料微观形貌及场发射性能的影响规律，获得了具有优异场发射性能的产物及等离子体修饰工艺，并提出了“尖端效应”理论，合理地解释了等离子体修饰后SiC一维纳米材料场发射性能的增强机理；4）分别以不同稀土化合物为稀土源，通过系统研究反应温度、保温时间及原料配比等工艺参数对合成产物及场发射性能的影响，获得了一步化学气相反应法原位合成Ce或La掺杂SiC 一维纳米材料的关键技术和Ce或La掺杂的优选工艺；5）通过系统研究各工艺参数对合成产物及场发射性能的影响，分别获得了一步和两步法合成Ce-N、La-N共掺杂SiC一维纳米材料的关键制备技术，并分别获得了两种制备方法的优选工艺；6）通过系统表征所得到的N、Ce、La掺杂以及Ce-N、La-N共掺杂SiC一维纳米材料的形貌及结构，并结合扩散及晶体生长理论，建立了不同元素掺杂机理的理论模型，并利用能带理论和基于密度泛函理论的第一性原理计算揭示了N、Ce、La以及Ce-N、La-N共掺杂对SiC一维纳米材料的能带结构及场发射性能的影响规律，从理论上解释了场发射性能优化的机理。.在完成项目计划中各项工作并取得了预期研究成果的基础上，还开展了以下拓展工作：研究了以CO(NH2)2为氮源，一步法制备N掺杂SiC一维纳米材料的关键技术，获得了优选工艺；探讨了Al掺杂SiC一维纳米材料的制备工艺及其场发射性能，为研究SiC一维纳米材料的P型掺杂奠定了基础。完成本项目取得的成果，先后获省自然科学二等奖1项，中石化联合会科技进步二等奖1项，省高校科技进步二等奖2项；申请国家发明专利15项，授权7项；发表论文31篇，其中SCI收录25篇次，EI收录20篇次；培养青年教师3名，博士1名，硕士10名，远远超过项目计划中“发表高水平论文8~15篇，申请国家发明专利1~2项”的任务指标。所获创新性成果具有原创性，技术水平达到国内外同类技术先进水平。