專利名稱：一種形貌可控的一維硅納米材料的制備方法
一種形貌可控的一維硅納米材料的制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬半導(dǎo)體微電子、納電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種控制硅的一維納米材料形貌的方法。
背景技術(shù)：
娃的一維納米結(jié)構(gòu)包括娃納米線,納米管,納米鏈等。一維娃納米材料不僅具有體硅穩(wěn)定的半導(dǎo)體性，且由于其達到納米尺度原因，表現(xiàn)出更多優(yōu)異的化學(xué)和物理性質(zhì)，因此其在太陽能電池，場效應(yīng)晶體管等半導(dǎo)體器件中具有廣泛應(yīng)用前景。目前，有很多方法用于硅納米線的生長，如激光燒蝕法，化學(xué)氣相沉積(CVD)法和熱蒸發(fā)法等。與硅納米線相比， 硅納米管較難獲得。這是由于Si原子傾向于三個P軌道與s軌道發(fā)生Sp3雜化，其結(jié)果是易于形成四面體類金剛石納米線結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在用于生長硅納米管的主要方法是模板法和水熱法。模板法的缺點在于去除模板的過程中會嚴(yán)重破壞產(chǎn)物，且由于模板與目標(biāo)產(chǎn)物之間的相互擴散，產(chǎn)物容易受到污染。水熱法則要求超高壓水熱條件，且產(chǎn)額較低。稀土元素鑭是一種化學(xué)性質(zhì)活潑的軟金屬，在干燥的空氣中容易被氧化，生成白色氧化物粉末。也可直接與碳、硅等直接反應(yīng)，形成二元化合物。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種與現(xiàn)行一維硅納米材料生長方法兼容性強，簡單易行，成本低廉的調(diào)制硅的一維納米材料形貌的方法。
本發(fā)明提出的調(diào)制硅的一維納米材料形貌的方法，具體步驟為將硅粉(Si)、一氧化硅(SiO)粉末和氣化調(diào)節(jié)劑稀土元素鑭(La)置于陶瓷舟中混合， 其中SiO和Si的質(zhì)量比值為I. 2^1. 8，而鑭粉的在混合物中的質(zhì)量比例為O 10. 0%，(其中 O表示不含鑭粉)。將陶瓷舟置于高溫管式爐(合肥科晶、GSL-1400X真空管式爐)中，高溫管式爐在1300°C恒溫2 3h。將石英舟置于高溫管式爐的低溫區(qū)(約85(T950°C)作為產(chǎn)物容器。以10 30Torr気(Ar)氣作為載氣,流速控制在60 80sccm (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分)。最終產(chǎn)物沉積在石英舟襯底上，得到不同形貌的一維硅納米材料。
本發(fā)明中，鑭粉的在混合物中的質(zhì)量比例優(yōu)選為f 10. 0%。
取產(chǎn)物 30mg，溶解在HF = HNO3=I: I的溶液中，稀釋之后對其進行ICP-AES (P 一 4010電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，單位mg/L)測試；同時，取固體產(chǎn)物直接對其進行EDX (X-ray spectroscopy)測試。
取出一定量的剩余物進行XRD (X-ray diffraction spectrum)測試。
本發(fā)明提供了一種簡易的調(diào)制一維硅納米材料的方法。本發(fā)明制備出來的一維硅納米材料包括納米線，納米管和納米鏈。該調(diào)制方法是以鑭元素作為一種控制源材料氣化量的調(diào)節(jié)劑，通過調(diào)整鑭的量實現(xiàn)對源材料氣化量的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)在熱蒸發(fā)生長法中形成不同形貌的硅的一維納米材料。


圖I是La比例為O時產(chǎn)物一般形貌透射電鏡顯微圖像(TEM)。
圖2是La比例3%時產(chǎn)物一般形貌透射電鏡顯微圖像(TEM)。
圖3是La比例 10%時產(chǎn)物一般形貌透射電鏡顯微圖像(TEM)。
圖4是反應(yīng)物中含La時剩余物的XRD圖譜。
具體實施方式
(I)以SiO和Si的混合粉末(SiO和Si粉末的質(zhì)量比值為I. 2^1. 8)為初始原料。 以氬氣為載氣，氣壓和流速分別控制在l(T30TOrr，6(T80SCCm。高溫管式爐的升溫速率為 15^25 0C /min。在1300 V恒溫3h。在石英舟襯底上有硅納米線生成，此納米線的直徑 15nm。
(2)以SiO和Si的混合粉末(SiO和Si粉末的質(zhì)量比值為I. 2 I. 8)，質(zhì)量比 3% 的鑭粉為初始原料。以氬氣為載氣，氣壓控制在l(T30Torr，流速6(T80sCCm。高溫管式爐的升溫速率為15 25°C/min。在1300°C恒溫3h。在石英舟襯底上有硅納米管生成，此納米管的外徑 65nm,內(nèi)徑 45nm。
(3)以SiO和Si的混合粉末(SiO和Si粉末的質(zhì)量比值為I. 2 I. 8)，質(zhì)量比 10% 的鑭粉為初始原料。高溫管式爐的升溫速率為15 25°C /min，在1300°C恒溫3h。以氬氣為載氣，氣壓控制在l(T30Torr,流速6(T80sccm。在石英舟襯底上有娃納米鏈生成,此納米鏈節(jié)點部分直徑 25nm,兩節(jié)點之間鏈段的直徑 15nm。
(4)取以上步驟(2) (3)得到的產(chǎn)物 30mg，溶解在HF = HNO3=I: I的溶液中，稀釋之后對其進行ICP-AES測試，結(jié)果兩種產(chǎn)物中均不含有鑭元素；同時，我們對產(chǎn)物進行了 EDX 測試，結(jié)果顯示產(chǎn)物中只含有硅和氧兩種元素。以上兩種測試結(jié)果證明在這兩種產(chǎn)物中不含有元素La，這說明La元素不是以催化劑的形式起作用，而是通過與源材料的固相反應(yīng)實現(xiàn)對其氣化量調(diào)節(jié)的一種氣化調(diào)節(jié)劑。
(5)取以上步驟(3)的剩余物，直接對其進行XRD測試，結(jié)果表明初始的鑭粉最終以鑭的陶瓷態(tài)物質(zhì)形式存在于剩余物中。
在保持其他實驗條件一致的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)鑭粉在混合物中的質(zhì)量比例，能夠得到不同的一維硅納米材料。用這種首創(chuàng)的使用稀土元素鑭的特性而實現(xiàn)的可控制備方法所得到的一維硅納米材料不含金屬雜質(zhì)污染，形貌可控，純度高。工藝條件的升級無需對原有設(shè)備的改造，成本低廉，是一種易于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的方法。
權(quán)利要求
1.一種形貌可控的一維硅納米材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下 將硅粉、一氧化硅粉和氣化調(diào)節(jié)劑稀土元素鑭粉置于陶瓷舟中，得混合物，其中一氧化硅粉和硅粉的質(zhì)量比值為I. 2 I. 8，鑭粉的在混合物中的質(zhì)量比例為(TlO% (其中O表示不含有鑭粉)，將陶瓷舟置于高溫管式爐中，高溫管式爐在1300°C恒溫2 3h ;將石英舟置于高溫管式爐的低溫區(qū)作為產(chǎn)物容器，以l(T30Torr氬氣作為載氣，流速控制在6(T80sccm，最終產(chǎn)物沉積在石英舟襯底上，得到不同形貌的一維硅納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，鑭粉的在混合物中的質(zhì)量比例為Γιο. 0%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，在高溫管式爐的低溫區(qū)的沉積溫度為 850 950°C。
全文摘要
本發(fā)明屬半導(dǎo)體微電子、納電子技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種形貌可控的一維硅納米材料的制備方法。該方法以硅(Si)和一氧化硅(SiO)混合粉末為原料，在較高溫度和較低氣壓條件下，通過添加稀土元素鑭(La)作為一種特別的氣化調(diào)節(jié)劑來調(diào)節(jié)硅的一維納米材料的形貌。該方法制備出的納米材料的形貌主要有硅納米線、硅納米管和硅納米鏈，通過調(diào)節(jié)鑭粉在混合粉末中的比例，可以得到以上三種不同形貌的硅納米材料。該調(diào)制方法工藝簡單，操作簡便，與現(xiàn)行使用設(shè)備的兼容性強，不用大幅提升成本，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)的基本要求。
文檔編號C01B33/021GK102976328SQ201210568429
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者江素華, 張文文 申請人:復(fù)旦大學(xué)