非晶納米線及納米晶粒的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Si02非晶納米線及納米晶粒及其制備的方法，屬于低維納米材料制備的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]S12是一種具有良好電絕緣性的材料，具有優(yōu)異的光學透明性，作為重要的光致發(fā)光材料和波導材料一直以來備受關(guān)注。S12納米顆粒是一種精細化工產(chǎn)品，在建筑、化工、醫(yī)藥、航空航天特制品以及光學器件上都有重要應(yīng)用。近年來，一維納米結(jié)構(gòu)因其具有獨特的光、電、磁和光催化等物理和化學性質(zhì)，吸引了大家的研究熱情。S12納米線是一種新型的一維納米材料，卓越的體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，使其不僅具有普通二氧化硅的性質(zhì)，而且具備納米粒子所特有的性質(zhì)，在橡膠、塑料、纖維、涂料、光化學和生物醫(yī)學等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。由此，開發(fā)S12納米顆粒和納米線這種S12低維納米材料新的合成方法，進而開發(fā)其物理化學性能具有重大意義。
[0003]目前制備納米S12的方法主要有干法和濕法。干法包括氣相法和電弧法;濕法有沉淀法、溶膠凝膠法和水熱合成法等。比較而言，氣相法制備的產(chǎn)品具有粒徑分布均勻、純度高、性能好等優(yōu)點，是工業(yè)上常用的方法，但其制備過程中能耗大，成本高一直是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的難題。
[0004]人們常用的氣相法中，有些需要通入SiH2,或SiCl4等氣體作為原材料這些氣體通常具有毒性，不僅對環(huán)境有污染，而且對操作者的身心健康存在負面影響，此外在精確控制原材料氣體的混合比例及流量時需要采用昂貴的精密設(shè)備儀器，導致成本過高;為保證氣-液-固生長過程的順利進行，在氣相法生長過程中也有一些需要引入價格昂貴的金屬催化劑(比如Au)，這可能在生長的Si納米線中形成深能級雜質(zhì)，而且實驗裝備昂貴，生產(chǎn)成本高；另外還有一些科研工作者使用氣相法制備納米S12時需要使用Si片作為沉積襯底，同時又作為反映原材料，此方法雖然降低了生產(chǎn)成本，但產(chǎn)品沉積方式略為單一，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:
[0006]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種成本低廉、安全環(huán)保、沉積過程簡易、結(jié)構(gòu)排布有序的S12非晶納米線及納米晶粒材料及其制備方法。
[0007]技術(shù)方案:
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實施的:
[0009]—種Si02非晶納米線及納米晶粒材料的制備方法，其特征在于:該方法步驟如下:
[0010]步驟一、將Si粉和S粉充分研磨并混合均勻作為反應(yīng)源，放入石英管一端；
[0011]步驟二、將使用的襯底基片清洗干凈，沿著石英管在距離反應(yīng)源10-20cm處放置襯底，把裝有反應(yīng)源和襯底的石英管放入管式爐內(nèi)，通入保護氣體Ar;
[0012]步驟三、爐子升溫至使反應(yīng)源溫度達到反應(yīng)溫度，襯底溫度達到沉積溫度，保溫1.5-2hrs，至反應(yīng)結(jié)束；
[0013]步驟四、反應(yīng)結(jié)束后取出石英管并降至室溫，即在襯底上有序生長出白色絮狀S12非晶納米線及納米晶粒。
[0014]所述Si粉和S粉按照質(zhì)量比1:1的比例充分研磨混合均勻后作為反應(yīng)源。
[0015]所述石英管為一端開口或兩端均開口；一端開口石英管應(yīng)把反應(yīng)源放在封閉一端，兩端開口的石英管把反應(yīng)源放在開口處，沿著石英管在距離反應(yīng)源10-20cm處放置襯底。
[0016]所述的襯底為Si片或石英片。
[0017]步驟三中反應(yīng)溫度為1000-1100°C，沉積溫度穩(wěn)定在950-970°C或1050-1070°C。
[0018]步驟二中保護氣體的流量為20_50sccm。
[0019]反應(yīng)時間為1.5-2hrs，反應(yīng)完畢即關(guān)閉Ar，取出石英管，降溫過程的物理環(huán)境為室溫，大氣條件下。
[0020]制備的S12非晶納米線直徑為100-500nm，長度達到20μπι以上，納米線的形貌和結(jié)構(gòu)在襯底上有序排布，隨沉積溫度升高，納米線長度越來越短，最短達到200nm;同時，在襯底上非晶納米線長度為1.5-3μηι的沉積區(qū)域沉積了尺寸為200_500nm的納米晶粒。
[0021]優(yōu)點效果:
[0022]1、本發(fā)明所述方法不需要金屬或金屬化合物作為催化劑，所得產(chǎn)物不會引入深能級雜質(zhì)，具有很尚的純度。
[0023]2、本發(fā)明所述方法沉積過程簡易，即可實現(xiàn)硅片上原位生長，又可使用其他襯底材料，便于兼容各種集成工藝。
[0024]3、本發(fā)明所述控制S12非晶納米線及納米晶粒生長的方法產(chǎn)量高，成本低，操作簡單，安全環(huán)保。
[0025]4、本發(fā)明實現(xiàn)了 S12非晶納米線及納米晶粒的有序生長，在微電子工藝和光學等領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0026]圖1是不同長度的Si(M_晶納米線的SEM圖。其中，圖1(a)為長度>20μπι的5池非晶納米線；圖1(b)為長度在2μηι的Si02非晶納米線；圖1(c)為長度<500nm的非晶納米線。
[0027]圖2是S12納米晶粒的SEM圖。
[0028]圖3是S12非晶納米線的EDX能譜圖，其中O原子和Si原子比為70%:30%。
[0029]圖4是S12非晶納米線和納米晶粒樣品的XRD圖。
[0030]圖5是S12非晶納米線和納米晶粒樣品的光致發(fā)光圖譜。
【具體實施方式】
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[0031]本發(fā)明采用管式爐裝置，無需金屬催化劑，是將Si粉和S粉混合后置于充有流動保護氣體的管式爐反應(yīng)腔中，在1000-1100°c反應(yīng)1.5-2hrs，襯底放在管式爐腔的低溫區(qū)用以收集產(chǎn)品。襯底要先用丙酮超聲，并用去離子水清洗。制備納米線和納米晶粒時要求保護氣體流量控制在20-50sCCm。納米線的尺寸和納米晶粒的生長位置由襯底所在區(qū)域和沉積溫度控制。
[0032]本發(fā)明所述的Si02非晶納米線及納米晶粒材料的制備方法，其步驟如下:
[0033]步驟一、將Si粉和S粉用研缽充分研磨并混合均勻作為反應(yīng)源，放入石英管一端
[0034]步驟二、將使用的襯底基片清洗干凈，沿著石英管在距離反應(yīng)源10-20cm處放置襯底，把裝有反應(yīng)源和襯底的石英管放入管式爐內(nèi)，通入保護氣體Ar。
[0035]步驟三、打開管式爐的升溫組件，爐子升溫至使反應(yīng)源溫度達到反應(yīng)溫度，襯底溫度達到沉積溫度，保溫1.5-2hrs，至反應(yīng)結(jié)束。
[0036]步驟四、反應(yīng)結(jié)束后取出石英管并降至室溫，即在襯底上有序生長出白色絮狀S12非晶納米線及納米晶粒。
[0037]所述Si粉和S粉按照質(zhì)量比1:1的比例充分研磨混合均勻后作為反應(yīng)源。確保反應(yīng)充分進行。
[0038]所述石英管為一端開口或兩端均開口；一端開口石英管應(yīng)把反應(yīng)源放在封閉一端，兩端開口的石英管把反應(yīng)源放在開口處，沿著石英管在距離反應(yīng)源10-20cm處放置襯底。這樣保證了載氣在反應(yīng)腔體內(nèi)部流動方向，又使襯底處于樣品生長所需溫度局域范圍內(nèi)，有助于樣品的順利生長。
[0039]所述的襯底為Si片或石英片，或其他耐高溫基片?？杉嫒菸㈦娮悠骷に?，擴大應(yīng)用背景。
[0040]步驟三中反應(yīng)溫度為1000-1100°C，沉積溫度穩(wěn)定在950-970°C或1050-1070°C。
[0041]步驟二中保護氣體的流量為20-50sCCm。這樣即可以避免流量過大造成浪費，又能夠確保樣品的順利生長。
[0042]反應(yīng)時間為1.5_2hrs，反應(yīng)完畢即關(guān)閉Ar，取出石英管，降溫過程的物理環(huán)境為室溫，大氣條件下，不會對納米線生長造成影響。
[0043]制備的S12非晶納米線直徑為100-500nm，長度達到20μπι以上，納米線的形貌和結(jié)構(gòu)在襯底上有序排布，隨沉積溫度升高，納米線長度越來越短，最短達到200nm;同時，