專利名稱：溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料制備技術(shù)領(lǐng)域特別是寬禁帶半導(dǎo)體材料合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法。
背景技術(shù)：
氮化硅(Si3N4)是一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度為5. OeV，其所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，受到人們越來越多的關(guān)注。Si3N4與傳統(tǒng)的二氧化硅材料相比有著顯著的優(yōu)點(diǎn)。Si3N4材料具有良好的鈍化性能、抗水汽滲透性能和光電性能等，并能有效阻止 Na、B等雜質(zhì)的擴(kuò)散，因此在微電子和光電子器件中得到廣泛的應(yīng)用，主要用來做鈍化層、絕緣層和敏感層等。同時(shí)，氮化硅又是一種性能優(yōu)異的工程陶瓷和新型功能材料，具有獨(dú)特的力學(xué)、化學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，已經(jīng)在多領(lǐng)域內(nèi)有廣泛應(yīng)用。其兼有多方面的優(yōu)良性燒結(jié)氮化硅的線膨脹系數(shù)比較低；具有優(yōu)良的耐磨蝕性；具有較高的機(jī)械強(qiáng)度；具有良好的電絕緣性等。該材料在陶瓷發(fā)動機(jī)、微電子、空間科學(xué)和核動力工程等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景，因此對這種材料的研究具有重要的意義，其研究已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前，對Si3N4的研究大部分都集中在制備階段，且已取得了一定的進(jìn)展，傳統(tǒng)制備Si3N4的方法有很多種，如碳熱還原法、硅粉直接氮化法、氣相沉積法(CVD)、溶膠凝膠法、 高溫自蔓延合成法、熱分解法等。陳宏等用溶膠-凝膠碳熱還原法成功制備出Si3N4納米粉末。李亞偉等采用硅粉氮化反應(yīng)成功合成Si3N4。高紀(jì)明等用溶膠凝膠法成功制備出Si3N4納米線。王聲宏等用高溫自蔓延合成法成功制備出Si3N4粉體。這些方法所需的反應(yīng)溫度都很高，一般在1100°C 1700°C之間，且得到的是顆粒狀氮化硅，較難獲得高純度的一維Si3N4。 另外關(guān)于低溫制備Si3N4的研究較少。近年來，出現(xiàn)了一種新型制備粉體材料的方法，即溶劑熱法。這種方法可以在相對較低的溫度下制備出粉體材料。但存在材料結(jié)晶較差、純度不高，反應(yīng)工藝很難重復(fù)等問題。因此，研究一種可在低溫下合成純度高、結(jié)晶質(zhì)量較好的氮化硅晶體材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提出一種溶劑熱法低溫合成氮化硅納米級棒狀晶體材料的方法，該方法以硅粉作為硅源，疊氮化鈉作為氮源，以碘為低溫輔助劑，采用溶劑熱法制備出高質(zhì)量的Si3N4棒狀晶體。碘為低溫輔助劑在降低實(shí)驗(yàn)溫度中起著非常重要的作用，已有研究表明在沒有碘的情況下，硅粉和疊氮化鈉在600°C都不發(fā)生反應(yīng)，但當(dāng)有碘加入時(shí)，在200-250°C下即可制備出氮化硅，碘的加入使得反應(yīng)溫度明顯降低。本發(fā)明的方法的反應(yīng)機(jī)理隨著溫度的增加，碘和疊氮化鈉發(fā)生反應(yīng)生成鈉和氮?dú)?，同時(shí)碘和硅粉發(fā)生反應(yīng)生成SiI2或SiI4,反應(yīng)過程中發(fā)出大量的熱，由溫度的上升使碘升華為氣態(tài)，使氮?dú)怏w積增加從而致使反應(yīng)體系的壓強(qiáng)急劇增加，在較強(qiáng)的壓力作用下，氮?dú)夂蚐i-I在低溫下反應(yīng)生成氮化硅?？偟幕瘜W(xué)反應(yīng)式如下具體的反應(yīng)過程比較復(fù)雜，反應(yīng)機(jī)理有待進(jìn)一步研究。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)解決方案
一種溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法，其特征在于，具體包括如下步驟
1)將質(zhì)量比為0.3 3 8的硅粉、疊氮化鈉和碘加入高壓反應(yīng)釜里，用玻璃棒攪拌均
勻；
2)將高壓反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)，加熱至200-250°C后，保持該溫度繼續(xù)加人15小時(shí)后自然冷卻至室溫，收集反應(yīng)后的產(chǎn)物；
3)對收集的產(chǎn)物分別用無水乙醇、去離子水、HNO3和HF的混合液洗滌，再用蒸餾水清洗，即可得到納米棒狀氮化硅晶體。進(jìn)一步的，HNO3和HF的混合液中，HNO3和HF的體積比為3:1。進(jìn)一步的，步驟1)中，硅粉、疊氮化鈉和碘分別取0. 3g，3g和8g，所采用的高壓反應(yīng)釜的容積為30ml。本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)及有益效果如下
1、以碘為低溫輔助劑，采用溶劑熱法在低溫200-250°C左右制備出直徑為100納米的純度高、質(zhì)量好的氮化硅納米棒狀晶體，克服了現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)溫度高的不足。2、實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，且本發(fā)明的方法對生長參數(shù)的控制等要求寬松，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。圖2為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的XRD圖譜。圖3為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的FIlR譜。圖4為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的SEM形貌。圖5為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的TEM衍射圖譜。圖6為實(shí)施例2合成氮化硅納米棒狀晶體的SEM形貌。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式發(fā)明人采用正交和單因子實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方案，經(jīng)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，最終確定低溫合成氮化硅納米級棒狀晶體材料主要工藝條件硅粉0. 3g，疊氮化鈉3g，碘8g，反應(yīng)溫度 200-250°C，反應(yīng)時(shí)間15小時(shí)。本發(fā)明的溶劑熱法低溫合成氮化硅納米級棒狀晶體材料的方法，具體包括如下步驟
1)將質(zhì)量比為0.3 3 8的硅粉、疊氮化鈉和碘加入高壓反應(yīng)釜里，用玻璃棒攪拌均
勻；
2)將反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)，加熱至200-250°C后，保持該溫度繼續(xù)加人15小時(shí)后自然冷卻至室溫，收集反應(yīng)后的產(chǎn)物；3)對收集的產(chǎn)物用無水乙醇洗滌，以去除殘余的碘；
4)用去離子水洗滌，以去除殘余的疊氮化鈉；
5)用HNO3和HF(v/v=3:1)混合液洗滌，以去除殘余硅粉；
6)用蒸餾水洗滌，以去除殘余的HNO3和HF酸液；
7)用無水乙醇對產(chǎn)物作脫水處理即可得到納米棒狀氮化硅晶體。高壓反應(yīng)釜容積的選擇根據(jù)硅粉、疊氮化鈉和碘的具體用量來選擇。實(shí)施例1
將0. 3g硅粉，3g疊氮化鈉和8g碘加入容積為30ml的高壓不銹鋼反應(yīng)釜內(nèi)，用玻璃棒攪拌均勻；將反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)，加熱至250°C，保持該溫度繼續(xù)加熱15小時(shí)后，自然冷卻至室溫，收集反應(yīng)后的產(chǎn)物，該產(chǎn)物為固體粉末；對收集的產(chǎn)物依次用無水乙醇、去離子水洗滌、HNO3和HF (v/v=3:l)混合液、蒸餾水洗滌；最后用無水乙醇對產(chǎn)物作脫水處理。對所制備的樣品進(jìn)行XRD、FITR、SEM和TEM測試，結(jié)果表明該產(chǎn)物為納米棒狀氮化硅晶體。圖2為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的XRD圖譜。由圖2可知，所得產(chǎn)物為α， β混合相的氮化硅，在XRD圖中沒有發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)相(如Si)的衍射峰，說明材料的純度較高。圖3為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的FIlR譜。由圖3可知，在850. OlcnT1出現(xiàn)一個(gè)明顯的強(qiáng)峰，該峰對應(yīng)于典型的Si-N鍵，是由Si-N鍵伸縮振動引起的。除了這個(gè)的主峰外，Si-N 鍵還在 406. 33CHT1，446. 16cm_1,460. 06cm_1,497. 22cm_1,581. 32cm_1, 682. 25cm_1, 994. 44cm-1,1047. 04cm 1等處有較小峰出現(xiàn)。圖4為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的 SEM形貌。由圖4可以清楚的看到產(chǎn)物為棒狀晶體，直徑在100納米左右，晶體棒表面光滑規(guī)則，粗細(xì)也較均勻。圖5為實(shí)施例1合成氮化硅納米棒狀晶體的TEM衍射圖譜。圖5清楚地表明氮化硅棒結(jié)晶很好為單晶特性。實(shí)施例2
本實(shí)施例的工藝流程同實(shí)施例1，區(qū)別在于，本實(shí)施例將反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)的加熱溫度為200°C。本實(shí)施例制備的樣品能達(dá)到與實(shí)施例1相同的技術(shù)效果。圖6為實(shí)施例 2合成氮化硅納米棒狀晶體的SEM形貌。由圖6可以清楚的看到產(chǎn)物為棒狀晶體，直徑在 200納米左右，晶體棒表面光滑規(guī)則，粗細(xì)也較均勻。實(shí)施例3
本實(shí)施例的工藝流程同實(shí)施例1，區(qū)別在于，本實(shí)施例將反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)的加熱溫度為220°C。本實(shí)施例制備的樣品能達(dá)到與實(shí)施例1相同的技術(shù)效果。以上是發(fā)明人給出的實(shí)施例，需說明的是，這些實(shí)施例是本發(fā)明較優(yōu)的例子，用于本領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于這些實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法，其特征在于，具體包括如下步驟1)將質(zhì)量比為0.3 3 8的硅粉、疊氮化鈉和碘加入高壓反應(yīng)釜里，用玻璃棒攪拌均勻；2)將高壓反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)，加熱至200-250°C后，保持該溫度繼續(xù)加人15小時(shí)后自然冷卻至室溫，收集反應(yīng)后的產(chǎn)物；3)對收集的產(chǎn)物分別用無水乙醇、去離子水、HNO3和HF的混合液洗滌，再用蒸餾水清洗，即可得到納米棒狀氮化硅晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法，其特征在于，HNO3和HF的混合液中，HNO3和HF的體積比為3 1。
3.如權(quán)利要求1所述的溶劑熱法低溫合成氮化硅納米棒狀晶體材料的方法，其特征在于，步驟1)中，硅粉、疊氮化鈉和碘分別取0. 3g，3g和8g，所采用的高壓反應(yīng)釜的容積為 30ml。
全文摘要
本發(fā)明公開了溶劑熱法低溫合成氮化硅納米級棒狀晶體半導(dǎo)體材料的制備方法將質(zhì)量比為0.338的硅粉、疊氮化鈉和碘加入高壓反應(yīng)釜里，用玻璃棒攪拌均勻；將反應(yīng)釜密封后置于烘箱內(nèi)，加熱至200-250℃后，保持該溫度繼續(xù)加人15小時(shí)后自然冷卻至室溫，收集反應(yīng)后的產(chǎn)物；對收集的產(chǎn)物依次用無水乙醇、去離子水洗滌、HNO3和HF混合液、蒸餾水洗滌；最后用無水乙醇對產(chǎn)物作脫水處理即得。本發(fā)明能夠制備出直徑為100納米的純度高、質(zhì)量好的氮化硅納米棒狀晶體；實(shí)驗(yàn)裝置簡單，操作方便，且本發(fā)明的方法對生長參數(shù)的控制等要求寬松，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。
文檔編號B82Y40/00GK102161479SQ20111012916
公開日2011年8月24日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者馮鵬飛, 岳剛, 張志勇, 翟春雪, 趙武, 閆軍鋒 申請人:西北大學(xué)