專利名稱:碳化硅納米線的微波制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及納米材料的制備方法,尤其涉及一種碳化硅納米線的微波制備方法。
背景技術(shù):
SiC晶體材料具有寬的禁帶寬度,高的臨界擊穿電場和熱導(dǎo)率,小的介電常數(shù)和較高的電子飽和遷移率,以及抗輻射能力強,機械性能好等特性,成為制作高頻、大功率、低能耗、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。SiC作為重要的半導(dǎo)體材料,其低維納米材料,尤其是納米線等一維納米結(jié)構(gòu)具有較強的量子尺寸效應(yīng)及良好的光學(xué)、場發(fā)射性能,在構(gòu)造納米器件方面也具有很好的應(yīng)用前景,可望成為新一代納米電子器件的基材。目前制備SiC納米線的方法很多,主要有碳納米管模板法、碳熱還原法和化學(xué)氣相沉積法。碳納米管模板法和碳熱還原法制備SiC納米線主要在真空高溫?zé)Y(jié)爐中進行。 這兩種方法所用設(shè)備復(fù)雜,反應(yīng)溫度較高,反應(yīng)時間較長,耗能大,成本高。此外,需要預(yù)先合成碳納米管與混料等,使得碳納米管模板法所用的原料比較貴,不適合隨后SiC納米線的應(yīng)用研究。而傳統(tǒng)的化學(xué)氣相沉積法生長SiC納米線,主要是在金屬催化劑的催化作用下碳源氣體與硅源氣體在一定溫度下進行反應(yīng)。該方法存在著產(chǎn)物中含有金屬催化劑顆粒,制備工藝復(fù)雜、成本高、產(chǎn)物純度不足等缺點。以上幾種方法普遍存在生產(chǎn)周期長、工藝復(fù)雜、能耗高,在一定程度上限制了 SiC納米線進一步的基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用。因此,需要尋求一種工藝簡單、高效、低成本制備SiC —維納米材料的方法。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此,需要提供一種工藝簡單、高效、成本低的碳化硅納米線的微波制備方法。一種碳化硅納米線的微波制備方法,包括以下步驟提供含硅基片,并將其置于微波反應(yīng)腔中;將微波反應(yīng)腔抽真空并通入保護性氣體;用微波加熱反應(yīng)腔至1000 1300°C,向反應(yīng)腔中通入碳源氣體和保護性氣體,使碳源氣體反應(yīng),在含硅基片表面形成碳化硅納米線。上述技術(shù)方案中,所述碳化硅納米線的微波制備方法采用微波加熱的方法,以含硅基片為基體,原位制備SiC納米線,不需要預(yù)先合成工藝(如現(xiàn)有技術(shù)中制備碳納米管與混料等),不需要添加催化劑,從而使工藝簡單,降低生產(chǎn)成本。此外,由于采用微波加熱技術(shù),具有加熱速度快、高效、能耗小,生產(chǎn)周期短,制備成本進一步降低。
下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明,附圖中圖1為本發(fā)明實施例的碳化硅納米線的微波制備方法流程示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的碳化硅納米線的微波制備方法中所用的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為本發(fā)明實施例的碳化硅納米線的微波制備方法所獲得的產(chǎn)物發(fā)光光致光譜圖;圖4為本發(fā)明實施例所制備的碳化硅納米線的XRD圖;圖5為實施例1所制備的碳化硅納米線的低倍掃描照片;圖6為實施例1所制備的碳化硅納米線的高倍掃描照片;圖7為實施例1所制備的碳化硅納米線的透射電鏡照片;圖8為實施例2所制備的碳化硅納米線的場發(fā)射掃描電鏡照片;圖9為實施例3所制備的碳化硅納米線的場發(fā)射掃描電鏡照片;圖10為實施例4所制備的碳化硅納米線的場發(fā)射掃描電鏡照片;圖11為實施例4所制備的碳化硅納米線的高倍掃描照片;圖12為實施例4所制備的碳化硅納米線的拉曼光譜圖;圖13為實施例5所制備的碳化硅納米線的場發(fā)射掃描電鏡照片;圖14為實施例6所制備的碳化硅納米線的場發(fā)射掃描電鏡照片。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。請參閱圖1,顯示本發(fā)明實施例的碳化硅納米線的微波制備方法流程,包括以下步驟SOl 提供含硅基片,并將其置于微波反應(yīng)腔中;S02 將微波反應(yīng)腔抽真空并通入保護性氣體;S03 用微波加熱反應(yīng)腔至1000 1300°C,向反應(yīng)腔中通入碳源氣體和保護性氣體,使碳源氣體反應(yīng),在含硅基片表面形成碳化硅納米線。在步驟SOl中,含硅基片可按照以下步驟提供選取含硅基片,將含硅基片在酒精中超聲清洗,干燥。超聲清洗時間為15-30分鐘,本實施例為20分鐘,干燥溫度為 100-200°C,例如,150°C。具體地,含硅基片優(yōu)選但不限于石英片或單晶硅片,本實施例優(yōu)先采用單晶硅片。圖2顯示本實施例的微波反應(yīng)器10的結(jié)構(gòu),該微波反應(yīng)器10可以是一反應(yīng)爐,其內(nèi)有一反應(yīng)腔12。在微波反應(yīng)器10工作時,其內(nèi)盛裝有含硅基片14。含硅基片14與反應(yīng)腔壁之間具有間隙,以供氣體通過。微波反應(yīng)腔12具有氣體入口 18和出口 19。微波反應(yīng)腔12外圍設(shè)置有微波加熱裝置,反應(yīng)腔12的腔壁上附有微波吸收輔助加熱體15,例如附著在外壁或內(nèi)壁,本實施例設(shè)置于內(nèi)壁。微波吸收輔助加熱體15可以是與管狀腔體同軸設(shè)置的圓筒形狀,或者是僅僅對應(yīng)于含硅基片14的腔壁處局部設(shè)置。由于微波吸收輔助加熱體 15設(shè)置于內(nèi)壁,因此,含硅基片14可置于微波吸收輔助加熱體15。微波吸收輔助加熱體15 可以是活性炭加熱體,不限于此。微波加熱裝置發(fā)出微波16進行加熱時,微波吸收輔助加熱體15升溫較快,作為含硅基片14以及通過的氣體的加熱媒介,有利于充分利用微波快速加熱的特點,使含硅基片14以及通過的氣體較快地達到所需溫度。另外,還可設(shè)置一溫度控制裝置17,如溫控器,用于控制反應(yīng)溫度。步驟S02具體可包括以下過程將微波反應(yīng)腔12抽真空,使反應(yīng)腔12內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通入保護性氣體后再抽真空,重復(fù)此過程多次(如三次以上);再向反應(yīng)腔12中通入流動的保護性氣體,去除殘留在反應(yīng)腔12內(nèi)的氧氣。其中,保護性氣體為氮氣或惰性氣體,如氦氣、氬氣等,惰性氣體優(yōu)選為氬氣,本實施例優(yōu)選采用氮氣。步驟S03中,反應(yīng)時間優(yōu)選為30分鐘 120分鐘,碳源氣體和保護性氣體的總流量優(yōu)選控制在50 100SCCm(SCCm是指在標(biāo)準(zhǔn)狀況下氣體流量單位毫升每分鐘)范圍內(nèi)。 為獲得較佳形貌,例如碳化硅納米線的直徑或長度,或者說長徑比,本實施例更優(yōu)選反應(yīng)時間為70分鐘 120分鐘,碳源氣體和保護性氣體的總流量更優(yōu)選控制在60 lOOsccm范圍內(nèi)。反應(yīng)溫度優(yōu)選為1050-1100°C,在此溫度下,碳化硅納米線的尺寸較均勻,形貌也較一致。更優(yōu)選地,當(dāng)反應(yīng)溫度在1100-1200°C時,碳化硅納米線的直徑較大,而且出現(xiàn)分支或分叉,因此,在某些應(yīng)用如需要這種分支或分叉的碳化硅納米線,或者需要較大直徑的碳化硅納米線時,反應(yīng)溫度可選擇1100-1200°C以上。碳源氣體為熱解溫度低的烴類氣體,例如甲烷氣體、乙炔或丙烯等,本實施例優(yōu)選采用甲烷氣體。保護性氣體即為上述的氮氣或惰性氣體,本實施例優(yōu)選采用氮氣。碳源氣體和保護性氣體的體積比優(yōu)選為1 9 1 1,更優(yōu)選為1 4 1 1,碳源氣體的含量越高,碳化硅納米線的尺寸越均勻且長度和直徑也越大。以上步驟所制備的碳化硅納米線具體形貌和結(jié)構(gòu)特征如下面實施例的具體產(chǎn)物表征所示。該碳化硅納米線可廣泛應(yīng)用于各種光電器件、納米電子器件及微電子器件等產(chǎn)品中,例如可應(yīng)用場發(fā)射器件中作為場發(fā)射體。如圖3所示,顯示碳化硅納米線在250nm波長的紫外光激發(fā)下的光致發(fā)光光譜,從圖中可看出,碳化硅納米線的兩個較寬的發(fā)射峰分別為309nm和417nm。另外,對本實施例的產(chǎn)物進行XRD測試,如圖4所示,圖中顯示五個特征峰,分別為(111)、(200)、(220)、(311)、022),表明本實施例制備的碳化硅納米線主要是 β-SiC結(jié)構(gòu)。在碳化硅納米線的微波制備方法中,通過微波加熱的方法,以含硅基片為基體,原位制備SiC納米線,不需要預(yù)先合成工藝(即不需要像現(xiàn)有技術(shù)中制備碳納米管與混料等),不需要添加催化劑,從而使工藝簡單,降低生產(chǎn)成本。此外,由于采用微波加熱技術(shù),具有加熱速度快、高效、能耗小,生產(chǎn)周期短,制備成本進一步降低。另外,微波具有自發(fā)熱和加熱速度快的特點和微波的非熱效應(yīng)對物質(zhì)反應(yīng)的活化及過程改變的誘導(dǎo)性,降低了活化能,改變了反應(yīng)動力學(xué),從而選擇性地促進反應(yīng)和提高定向反應(yīng)活性,易于基體表面氣相生長碳化硅納米線。此外,本實施例還可通過調(diào)整反應(yīng)工藝條件,得到較佳的形貌和晶格,例如通過采用單晶娃,以及控制反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)流量和碳源氣體的含量等,可得到晶型較好、形貌均勻一致,長徑比較佳的碳化硅納米線。以下是碳化硅納米線的微波制備方法具體實例,以詳細說明該方法的具體操作工藝和條件及產(chǎn)物性能等方面。實施例1本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取石英片,將石英片在酒精中超聲20min洗凈,于150°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的石英片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氮氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前反應(yīng)腔中先通入流動的氮氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1100°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 4通入甲烷氣體和氮氣,通入氣體總流量為50sCCm。待反應(yīng)60min 后,關(guān)閉微波和甲烷氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氮氣氣氛下冷卻至室溫。然后,從反應(yīng)腔中取出石英片,可以看到石英片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。取沉積物進行場發(fā)射掃描電鏡和透射電鏡測試,如圖5所示,為本實施例所制備的碳化硅納米線的低倍掃描照片。由圖可見,碳化硅納米線主要為大量的納米線,納米線的直徑大約在 IOOnm左右,長度大約為幾十個微米。另外,沒有明顯的顆粒粘附在納米線的表面,表面非常光滑。如圖6所示,為本實施例所制備的碳化硅納米線的高倍掃描照片,從圖6中可看出納米線表面比較平直、光滑。如圖7所示,為本實施例所制備的碳化硅納米線的透射照片,從圖7中可觀察到碳化硅納米線中包含了一些孿晶和堆垛層錯缺陷。實施例2本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取單晶硅片,將單晶硅片在酒精中超聲20min洗凈,于100°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的單晶硅片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氮氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前往反應(yīng)腔中先通入流動的氮氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1200°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 4通入甲烷氣體和氮氣,總流量為70sCCm。待反應(yīng)70min后,關(guān)閉微波和甲烷氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氮氣氣氛下冷卻至室溫。然后,從反應(yīng)腔中取出單晶硅片,可以看到單晶硅片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。 場發(fā)射掃描電鏡分析表明,產(chǎn)物中有許多樹枝狀納米線生成,從主枝的納米線生長出樹丫狀的側(cè)枝,側(cè)枝的直徑比主枝的要稍微小些。具體參閱圖8,為本實施例所制備的碳化硅納米線的透射電鏡照片。從圖中可看出,產(chǎn)物中有許多樹枝狀納米線生成,如圖中箭頭所示。 主枝的納米線生長出一些樹丫狀的側(cè)枝,側(cè)枝的直徑比主枝的要稍微小些。實施例3本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取石英片,將石英片在酒精中超聲30min洗凈,于200°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的石英片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氮氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前往反應(yīng)腔中先通入流動的氦氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1100°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 9通入乙炔氣體和氦氣,總流量為50sCCm。待反應(yīng)0.5小時后,關(guān)閉微波和乙炔氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氦氣氣氛下冷卻至室溫。
然后,從反應(yīng)腔中取出石英片,可以看到石英片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。透射電鏡分析表明,如圖9所示,產(chǎn)物中有許多短的碳化硅晶須,還有少量的碳化硅納米棒,說明部分碳化硅未能較好地長成碳化硅納米線,碳化硅納米線量較少。實施例4本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取單晶硅片,將單晶硅片在酒精中超聲30min洗凈,于120°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的單晶硅片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氬氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前往反應(yīng)腔中先通入流動的氬氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1100°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 4通入甲烷氣體和氬氣,總流量為SOsccm。待反應(yīng)IOOmin后,關(guān)閉微波和甲烷氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氬氣氣氛下冷卻至室溫。然后,從反應(yīng)腔中取出單晶硅片,可以看到單晶硅片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。 場發(fā)射掃描電鏡分析表明,如圖10所示,產(chǎn)物中有密集的碳化硅納米線,碳化硅納米線直徑均勻一致,長度也較均勻一致。如圖11所示,為本實施例所制備的碳化硅納米線的高倍掃描照片,從圖11中可看出納米線表面很平直、光滑。如圖12所示,為本實施例碳化硅納米線的拉曼光譜,從圖中可看出碳化硅納米線具有質(zhì)量較好的晶體特征。實施例5本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取石英片,將石英片在酒精中超聲40min洗凈,于100°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的石英片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氮氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前往反應(yīng)腔中先通入流動的氮氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1100°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 1通入甲烷氣體和氮氣,總流量為lOOsccm。待反應(yīng)SOmin后,關(guān)閉微波和甲烷氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氮氣氣氛下冷卻至室溫。然后,從反應(yīng)腔中取出石英片,可以看到石英片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。場發(fā)射掃描電鏡分析表明,如圖13所示,相對于實施例4的產(chǎn)物來說,分布較疏,直徑較大,但是碳化硅納米線直徑也較均勻一致,長度也均勻一致。實施例6本實施例的碳化硅納米線的制備方法包括如下具體步驟1)本實施例選取石英片,將石英片在酒精中超聲30min洗凈,于150°C烘箱中烘干,用作沉積基體,同時提供硅源,即作為含硅基片。2)將干燥后的石英片置于反應(yīng)腔中,抽真空使?fàn)t膛內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通氮氣至常壓后再抽真空,重復(fù)此過程三次。開啟微波前往反應(yīng)腔中先通入流動的氮氣,以去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。3)用微波加熱反應(yīng)腔,當(dāng)溫度快速升至反應(yīng)溫度1050°C時,打開氣體流量瓶閥門,按照體積比為1 4通入甲烷氣體和氮氣,總流量為50sCCm。待反應(yīng)60min后,關(guān)閉微波和甲烷氣體,整個反應(yīng)系統(tǒng)在氮氣氣氛下冷卻至室溫。然后,從反應(yīng)腔中取出石英片,可以看到石英片上覆蓋一層淡綠色的沉積物。場發(fā)射掃描電鏡分析表明,如圖14所示,相對于實施例4和5的產(chǎn)物來說,分布更疏,產(chǎn)物量少, 直徑分布有大有小。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳化硅納米線的微波制備方法,包括以下步驟提供含硅基片,并將其置于微波反應(yīng)腔中;將微波反應(yīng)腔抽真空并通入保護性氣體;用微波加熱反應(yīng)腔至1000 1300°C,向反應(yīng)腔中通入碳源氣體和保護性氣體,使碳源氣體反應(yīng),在含硅基片表面形成碳化硅納米線。
2.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述含硅基片為石英片或單晶硅片。
3.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述碳源氣體反應(yīng)時間為30 120分鐘,所述碳源氣體和保護性氣體的總流量控制在50 IOOsccm范圍內(nèi)。
4.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述碳源氣體反應(yīng)時間為70 120分鐘,所述碳源氣體和保護性氣體的總流量控制在60 lOOsccm范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述碳源氣體和保護性氣體的體積比為1 9 1 1。
6.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述碳源氣體和保護性氣體的體積比為1 4 1 1。
7.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述保護性氣體為氮氣或惰性氣體。
8.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述含硅基片提供包括以下步驟選取含硅基片,將含硅基片在酒精中超聲清洗,干燥。
9.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述將微波反應(yīng)腔抽真空并通入保護性氣體的步驟包括以下過程將微波反應(yīng)腔抽真空,使反應(yīng)腔內(nèi)絕對壓力低于lkPa,通入保護性氣體后再抽真空,重復(fù)此過程多次;再向反應(yīng)腔中通入流動的保護性氣體,去除殘留在反應(yīng)腔內(nèi)的氧氣。
10.如權(quán)利要求1所述的碳化硅納米線的微波制備方法,其特征在于,所述微波加熱反應(yīng)腔至1100 1200°C。
全文摘要
本發(fā)明提供一種碳化硅納米線的微波制備方法,包括以下步驟提供含硅基片,并將其置于微波反應(yīng)腔中;將微波反應(yīng)腔抽真空并通入保護性氣體;用微波加熱反應(yīng)腔至1000~1300℃,向反應(yīng)腔中通入碳源氣體和保護性氣體,使碳源氣體反應(yīng),在含硅基片表面形成碳化硅納米線。該碳化硅納米線的微波制備方法采用微波加熱的方法,原位制備SiC納米線,不需要預(yù)先合成工藝,不需要添加催化劑,從而使工藝簡單,降低生產(chǎn)成本。此外,由于采用微波加熱技術(shù),具有加熱速度快、高效、能耗小,生產(chǎn)周期短,制備成本進一步降低。
文檔編號C30B29/62GK102373505SQ20101025546
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者曾燮榕, 符冬菊, 鄒繼兆, 黎曉華 申請人:深圳大學(xué)