ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法
2023-12-01 17:38:26 1
專利名稱：ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法
技術領域：
本發明涉及一種ais/si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法，具體涉及一種形貌和直徑可控的ais/si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法。屬Si基半導體納米材料的可控合成領域。
背景技術：
由於矽是一種重要的半導體材料，而一維納米異質結擁有優異的光電性能，使矽基的一維納米異質結在半導體器件上擁有巨大的應用潛力。目前矽基的一維納米半導體異質結已經可以利用多種方法製備，例如化學氣相沉積法、脈衝雷射沉積法和溶液生長法等。 雖然以上方法已經可以製備出Si/Ge， Si/SiGe, Si/Si02，Si/Sn等異質結，但卻很難控制生成的矽基半導體納米材料的形貌和直徑。由於納米材料的性能取決於其結構、形貌、尺寸和化學組分，因此可以控制直徑、形貌和化學組分的納米材料製備方法將在納米電學，納米光學和納米傳感器等領域有更廣闊的應用前景。
發明內容
本發明要解決的第一個技術問題是提供一種ais/si核殼納米線或納米帶的製備方法。該方法利用ZnS作為模板，採用簡單的兩步熱蒸發，通過選用不同形貌的ZnS模板和控制Si的沉積時間，製備出多種形貌和不同直徑的Zn/Si核殼結構一維納米材料。本發明要解決的第二個技術問題是提供一種多晶Si管的製備方法。該方法利用本發明所述方法製備的多種形貌和不同直徑的Zn/Si核殼納米線或納米帶，經過稀鹽酸處理，得到多種形貌和不同直徑的多晶Si管。為解決上述第一個技術問題，本發明所提供的技術方案是 一種ais/si核殼納米線或納米帶的製備方法，該方法包括如下步驟 a.不同形貌ZnS模板的製備
1)將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將ZnS粉末置於氧化鋁管中部作為蒸發源，將一個或多個表面覆金襯底，例如覆了 5納米金薄膜的襯底，放置在管中氣流方向的下遊，所述ZnS粉的純度優選不低於99. 90% ；
2)密封整個系統，將氧化鋁管內預抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘 25 50立方釐米，並保持管中的壓強為IXlO4 Pa 4X IO4Pa,將氧化鋁管中部ZnS粉末所在位置以每分鐘10°C 50°C的速率加熱至1000°C 1100°C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900°C至400°C的溫度梯度，維持該溫度梯度廣5個小時；所述預抽真空是將管內壓強控制為小於1X10—1 Pa，優選小於6X10—2 Pa ；
3)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，在低溫區域的襯底上形成ZnS納米線，在高溫區域的襯底上形成ZnS納米帶，其中所述低溫區域的溫度為400°C飛50°C，所述高溫區域的溫度為750°C ^900oC ；優選地，所述低溫區域的溫度為450°C飛20°C，所述高溫區域的溫度為780°C ^850°C ；更優選地，所述低溫區域的溫度為500°C，所述高溫區域的溫度為800°C ；b. ZnS/Si核殼納米線或納米帶的製備
4)將SiO粉末至於氧化鋁管中部，將步驟3)中得到的載有ZnS納米線或ZnS納米帶的襯底放置在管中氣流方向的下遊；
5)將管內預抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘25 50立方釐米，並保持管中的壓強為IXlO4 I3aIXlO4Pa,將氧化鋁管中部SiO粉末所在位置以每分鐘 IO0C 50°C的速率加熱至1250°C 1350°C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900°C至 6000C的溫度梯度，維持該溫度梯度0. 5、個小時，使Si沉積在ZnS模板上形成SiS/Si核殼納米線或納米帶；所述預抽真空是將管內壓強控制為小於IXKT1 Pa，優選小於6X10_2 Pa ；
本發明可以通過維持上述溫度梯度的時間，來控制Si的沉積時間以便控制生成aiS/ Si核殼納米線的直徑或aiS/Si核殼納米帶的厚度，在所述步驟5)中，當維持900°C至 600°C的溫度梯度30分鐘時，所述aiS/Si核殼納米線的直徑為18(T220nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為18(T220nm ；當維持900°C至600°C的溫度梯度為60分鐘時，所述&iS/Si核殼納米線的直徑為48(T520nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為48(T520nm ；當維持900°C至 600°C的溫度梯度為90分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為68(T720nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為68(T720nm ；當維持900 ！至600°C的溫度梯度為120分鐘時，所述SiS/Si 核殼納米線的直徑為88(T920nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為88(T920nm。6)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，得到與ZnS納米線或納米帶形貌相同的 ZnS/Si核殼納米線或納米帶。進一步地，所述襯底可以為矽片、陶瓷片、石英片或者藍寶石片。為解決上述第二個技術問題，本發明所提供的技術方案是
一種多晶Si管的製備方法，該方法是將本發明上述方法製備的載有ais/si核殼納米線或納米帶的襯底放在濃度為10%-35%的鹽酸溶液中浸泡30min，得到多晶Si管。本發明所述方法製備得到的兩種形貌的矽管，其形貌不同，性能也不同。本發明的有益效果是
1.目前現有技術中人們控制是通過控制催化劑顆粒的大小來控制納米線的直徑，但是，對於催化劑生長的納米線來說，增加生長時間，不能增加納米線的直徑。2.選用形貌多樣的ZnS做為模板，從而可以製備出形貌多樣的aiS/Si核殼結構一維納米材料和多晶矽管。多種形貌的核殼結構一維納米材料和矽管，目前還沒有人報導過，形貌某種程度上決定材料的性能。3.本發明提供了形貌和直徑可控的aiS/Si核殼結構一維納米材料以及多晶Si 管制備方法。該方法操作簡單、可控性好、成本較低，適於大規模生產多種形貌、不同直徑的 Zn/Si核殼結構一維納米材料及多晶Si管。
圖1 a) ZnS/Si核/殼納米線的低倍掃描電鏡(SEM)圖像(插圖為高倍SEM圖像);
b)ZnS/Si核/殼納米線的低倍透射電鏡(TEM)圖像(插圖為其對應的選區電子衍射圖像；
c)為ZnS核的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像；d)多晶Si外殼的HRTEM圖像；
圖2 a)以ZnS納米線為模板的SiS/Si核/殼納米線的TEM圖像；b)將a)中樣品用稀鹽酸處理得到的矽管的TEM圖像；c)以ZnS納米帶為模板的SiS/Si核/殼納米帶的TEM 圖像；d)將c)中樣品用稀鹽酸處理得到的矽管的TEM圖像；
圖3不同直徑的aiS/Si核/殼納米線a)約200nm ；b)約500nm ；c)約700nm ；d)約 900nmo
具體實施例方式實施例1
(1)製備ZnS模板
首先，將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將2g ZnS粉末(Alfa Aldrich, 99.99%)置於氧化鋁管中部作為蒸發源，將蒸鍍了 5納米金薄膜的矽片放置在管中氣流方向的下遊。其次，密封整個系統，將管內壓強抽至6X 10_2Pa，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘25立方釐米，並保持管中的壓強為4X 104Pa。將管子中部即ZnS粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1050°C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900 1至4001的溫度梯度，維持該溫度梯度大約4個小時。最後，停止加熱，將管子冷卻至室溫，在矽片溫度為500°C左右區域生成ZnS納米線，在矽片溫度為800°C左右區域生成ZnS納米帶。(2)製備aiS/Si核/殼納米線
首先，將SiO粉末(Alfa Aldrich, 99. 99%)至於氧化鋁管中部，將載有ZnS納米線的矽片放置在管中氣流方向的下遊。將管內壓強抽至6X10_2I^，通入摻有5% H2的高純Ar 氣，速率為每分鐘25立方釐米，並保持管中的壓強為4X104Pa。其次，將管子中部即SiO粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1350°C，此時所述矽片區域沿氣流方向具有900 ！至600°C的溫度梯度，分別維持該溫度梯度30、60、 90、120分鐘時，可以得到直徑為約200n m、約500nm、約700nm、約900nm的SiS/Si核/殼納米線。最後，停止加熱，將管子冷卻至室溫，此時ZnS納米線轉變為與其形貌相同的SiS/ Si核/殼納米線。(3)製備多晶Si管
將上述製得的ais/si核/殼納米線在濃度為ιο%鹽酸中浸泡半小時，得到了多晶矽管。實施例2
(1)製備ZnS模板
首先，將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將2g ZnS粉末(Alfa Aldrich, 99.99%)置於氧化鋁管中部作為蒸發源，將蒸鍍了 5納米金薄膜的矽片放置在管中氣流方向的下遊。其次，密封整個系統，將管內壓強抽至6X 10_2Pa，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘50立方釐米，並保持管中的壓強為lX104Pa。將管子中部即ZnS粉末所在位置以每分鐘50°C的速率加熱至1100 °C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900 1至4001 的溫度梯度，維持該溫度梯度大約2個小時。
最後，停止加熱，將管子冷卻至室溫，在矽片溫度為500°C左右區域生成ZnS納米線，在矽片溫度為800°C左右區域生成ZnS納米帶。( 2)製備SiS/Si核/殼納米帶
首先，將SiO粉末至於氧化鋁管中部，將載有ZnS納米帶的矽片放置在管中氣流方向的下遊。將管內壓強抽至6Χ10_2Ι^，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘25立方釐米，並保持管中的壓強為1X10^!。其次，將管子中部即SiO粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1250°C，此時所述矽片區域沿氣流方向具有900 ！至600°C的溫度梯度，分別維持該溫度梯度30、60、 90、120分鐘時，可以得到厚度為約200nm、約500nm、約700nm、約900nm的SiS/Si核/殼納米帶。最後，停止加熱，將管子冷卻至室溫，此時ZnS納米帶轉變為與其形貌相同的SiS/ Si核/殼納米帶。(3)製備多晶Si管
將上述製得的aiS/Si核/殼納米帶在濃度為35%鹽酸中浸泡半小時，得到了多晶矽管。顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。
權利要求
1. 一種ais/si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟a.不同形貌ZnS模板的製備1)將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將ZnS粉末置於氧化鋁管中部作為蒸發源，將一個或多個表面覆金襯底放置在管中氣流方向的下遊；2)密封整個系統，將氧化鋁管內預抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘 25 50立方釐米，並保持管中的壓強為IXlO4I5a 4X IO4Pa,將氧化鋁管中部ZnS粉末所在位置以每分鐘10°C 50°C的速率加熱至1000°C 1100°C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900°C至400°C的溫度梯度，維持該溫度梯度廣5個小時；3)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，在低溫區域的襯底上形成ZnS納米線，在高溫區域的襯底上形成ZnS納米帶，其中所述低溫區域的溫度為400°C飛50°C，所述高溫區域的溫度為7500C ^900oC ；b.ZnS/Si核殼納米線或納米帶的製備4)將SiO粉末至於氧化鋁管中部，將步驟3)中得到的載有ZnS納米線或ZnS納米帶的襯底放置在管中氣流方向的下遊；5)將管內預抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘25 50立方釐米， 並保持管中的壓強為IXlO4 I3aIXlO4Pa,將氧化鋁管中部SiO粉末所在位置以每分鐘 IO0C 50°C的速率加熱至1250°C 1350°C，此時所述襯底區域沿氣流方向具有900 °〇至 6000C的溫度梯度，維持該溫度梯度0. 5、個小時，使Si沉積在ZnS模板上形成SiS/Si核殼納米線或納米帶；6)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，得到與ZnS納米線或納米帶形貌相同的SiS/Si 核殼納米線或納米帶。
2.根據權利要求ι所述ais/si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟1)中，所述ZnS粉的純度不低於99. 90%。
3.根據權利要求1或2所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)中，所述低溫區域的溫度為450°C 520°C，所述高溫區域的溫度為780°C 850°C。
4.根據權利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)中，所述低溫區域的溫度為500°C，所述高溫區域的溫度為800°C。
5.根據權利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述襯底為矽片、陶瓷片、石英片或者藍寶石片。
6.根據權利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度30分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 18(T220nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為18(T220nm。
7.根據權利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為60分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 48(T520nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為480 520歷。
8.根據權利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為90分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 68(T720nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為68(T720nm。
9.根據權利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的製備方法，其特徵在於，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為120分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 88(T920nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為88(T920nm。
10. 一種多晶Si管的製備方法，其特徵在於，該方法是將權利要求1、任一項所述的載有aiS/Si核殼納米線或納米帶的襯底放在濃度為109Γ35%的鹽酸溶液中浸泡30min，得到多晶Si管。
全文摘要
本發明公開了一種ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法。本發明採用在真空管式爐中進行兩步熱蒸發，利用不同形貌的ZnS為模板，通過控制Si的生長時間合成了不同直徑的ZnS/Si核殼納米線或納米帶，再利用稀鹽酸處理得到多種形貌和不同直徑的多晶Si管。該方法操作簡單、可控性好，適於大規模生產多種形貌、不同直徑的ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管。本發明方法得到的一維納米材料在矽基集成電路、納米光學器件和納米傳感器等方面具有廣泛的應用前景。
文檔編號C30B29/66GK102162135SQ20111005666
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月9日 優先權日2011年3月9日
發明者孟祥敏, 陳雪 申請人:中國科學院理化技術研究所