用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法

2023-08-13 21:09:21

專利名稱：用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料技術領域的SiC納米纖維的合成方法，具體地說， 是一種用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法。
背景技術：
SiC納米纖維，作為一種寬禁帶半導體材料，由於具有高機械強度，高熱傳導性，以及優異的場發射等性能，使得其在高溫、高頻、超硬材料增強劑等惡劣 環境下顯示出良好的應用潛能，被普遍認為是一種極具發展潛力的半導體材料。目前，人們對於一維納米SiC納米纖維的合成製備已經進行了大量的實驗。到目 前為止，其合成方法主要有VLS法、納米碳管限制生長法、碳分解還原法等等。 但這些方法大多數得到少量的納米SiC納米纖維材料， 一般供物理表徵、納米級應用等實驗室研究方面。得到的樣品直徑一般在幾十個納米到幾百個納米之間， 表面存在較厚的氧化層以及較多的層錯，而且工藝複雜，製備溫度較高(一般高於1400度)。為了能比較容易的和當前成熟的集成電路工藝相兼容，使得其納電 子器件中得以廣泛應用，需要製備出宏觀量的高質量SiC納米纖維，這樣才會為 今後的工業化應用提供前提。經對現有技術的文獻檢索發現，S. T. Lee等在《Advanced Materials》(《先 進材料》)2000年第12期第1186-1190頁上發表的"Oriented silicon carbide nanowires: synthesis and field emission properties"(定向排列SiC糹內米 纖維的製備與場發射性能)，該文中提出一種利用有序排列的定向碳納米管為模板合成SiC納米纖維陣列的方法，其不足在於產品遠遠沒有達到宏觀量級，製備程序複雜，且製備出的SiC納米纖維直徑較粗(10-40 nm)，且受納米碳管直 經限制，並且缺陷較多。這樣就為將來的產量化應用設置了障礙。進一歩檢索中， 尚未發現合成出宏觀量(數十克級)的單晶SiC納米纖維的報導。 發明內容本發明目的在於針對現有技術的不足，提供一種用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法。本發明解決了目前製備SiC納米纖維產量較少， 不能夠通過直接反應來達到宏觀量生產的問題，可以簡單易行的在較低溫度下利 用矽粉和硫化鋅粉末直接大規模合成出宏觀量晶體SiC納米纖維。所合成出的 SiC納米纖維結晶良好，表面光滑，氧化層薄，缺陷少，直徑小且分布均勻(平 均直徑10-30咖)。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明採用單晶矽粉末作為反應矽源， 以固態碳材料為前驅體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載 氣，將矽粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合後進行氧化還原反應，從而在陶 瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。本發明包括如下步驟第一歩，將單晶矽粉末與ZnS粉末在陶瓷舟內均勻混合，碳材料被固定在石 英管內側；第二步，首先升溫到90(TC，之後升溫到反應溫度IIO(TC，在溫度達到250 "C時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應溫度IIO(TC下，保持腔內氣體流量，反應持續進行，反應完 後將反應產物取出，在陶瓷舟內得到宏觀量級的晶體SiC納米纖維。第一步中，反應在臥式石英管式爐中進行，將裝有ZnS粉末及單品矽粉末的 陶瓷舟置於管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管的內側。第二步中，所述的升溫，升溫到90(rC的升溫速率為25TVmin，而升溫到反 應溫度1100。C的升溫速率為15°C/min。第二歩中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為5-30 1/h。第三步中，所述的反應持續進行，持續時間為2-4小時。本發明通過調整單晶矽粉術與ZnS粉末的質量和反應時間，來控制形成晶體 SiC納米纖維的產量。單晶矽粉末與ZnS粉末多，反應周期長，可以增加SiC納 米纖維的產量， 一般原反應物10-20g可以生成大概l-2g純SiC納米纖維，產率 約為10%。加入惰性保護氣體氬氣的目的主要是把CO氣體帶到矽粉表面並與之 反應。加入ZnS粉末是為SiC的成核提供更多機會，提高SiC納米纖維的的產量。 本發明工藝簡單易行，原料採用便宜而應用廣泛的矽粉(可以直接將單晶矽片磨 碎)、碳材料和ZnS粉末，可以方便地通過簡易管式爐設備在陶瓷舟內合成出宏觀量級、高質量的SiC納米纖維。如果擴大生產規模，SiC納米纖維可以達到工 業化生產級(如公斤級)的產量。本發明採用矽粉作為反應矽源，以固態碳材料為前驅體，以ZnS粉末為輔助 劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載氣，原料簡單易得，成本低廉，對環境無汙 染；採用惰性氣體保護，無明顯易燃危險原料，氣體價格低廉；設備工藝簡單， 所製備出的樣品產量高、質量好。而且本發明得到的SiC納米纖維直徑小且分布 均勻，平均直徑10-30nm。


圖l採用本方法所製備出的SiC納米纖維透射電鏡(TEM)照片具體實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 範圍不限於下述的實施例。本實施例採用目前常用的單晶矽粉末(可以將單晶矽片直接磨碎)作為反應 矽源，以固態碳材料為前驅體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣 體及載氣，將矽粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合後在一定溫度下進行氧化 還原反應，系統中殘留的氧氣會與矽粉顆粒發生反應並在表面生成一層氧化物， 同時也會與碳生成CO氣體，當CO氣體被帶到矽片表面時與氧化物發生反應，從 而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。ZnS粉末的存在會使分解出的S 蒸氣與矽顆粒發生反應生成SiS， SiS在較高溫度下會升華並分解出Si和SiS" 分解出的Si再與氧氣反應生成氧化物，從而為SiC的成核提供更多機會，提高 合成產物的數量。實施例1合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進行，將10g質量比為l: l的單晶 矽粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置於乾淨的陶瓷舟中，然後將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管內側。先以25'C/min的速率 升溫到900°C，之後以15°C/min的速率升溫到反應溫度ll(KTC。在溫度達到250 。C時，通入氣體流量為5 1/h的氬氣；在反應溫度IIO(TC下，保持腔內氣體流 量，反應持續進行2小時，反應完後將陶瓷舟取出，在舟內得到宏觀量級(大概lg)的SiC納米纖維。 實施例2合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進行，將20g質量比為l: l的單晶矽粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置於乾淨的陶瓷舟中，然後將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管內側。先以25TVmin的速率 升溫到900°C，之後以15°C/min的速率升溫到反應溫度IIOO'C。在溫度達到250 'C時，通入氣體流量為16 1/h的氬氣；在反應溫度IIO(TC下，保持腔內氣體流 量，反應持續進行4小時，反應完後將陶瓷舟取出，在舟內得到宏觀量級(大概 2g)的SiC納米纖維(見圖1)。圖中可以看出，在陶瓷舟內產生了 SiC納米纖 維。此外，製備出的SiC納米纖維基本上為單晶結構，主要生長方向為〈111〉晶 向，〈Ul〉晶向強度最大，其他的晶向強度比較弱，生長方向主要為〈111〉晶向。 實施例3合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進行，將16g質量比為1: 1的單晶 矽粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置於乾淨的陶瓷舟中，然後將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管內側。先以25'C/min的速率 升溫到90(TC，之後以15TVmin的速率升溫到反應溫度IIO(TC。在溫度達到250 'C時，通入氣體流量為30 1/h的氬氣；在反應溫度110(TC下，保持腔內氣體流 量，反應持續進行3小時，反應完後將陶瓷舟取出，在舟內得到宏觀量級(大概 1.6g)的晶體SiC納米纖維。實施例4合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進行，將12g質量比為l: l的單晶 矽粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置於乾淨的陶瓷舟中，然後將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管內側。先以25'C/min的速率 升溫到90CTC，之後以15°C/min的速率升溫到反應溫度ll(KTC。在溫度達到250 。C時，通入氣體流量為20 1/h的氬氣；在反應溫度IIO(TC下，保持腔內氣體流 量，反應持續進行2小時，反應完後將陶瓷舟取出，在舟內得到宏觀量級(大概 1.2g)的品體SiC納米纖維。
權利要求
1、一種用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法，其特徵在於，採用矽粉末作為反應矽源，以固態碳材料為前驅體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載氣，將矽粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合後進行氧化還原反應，從而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。
2. 根據權利要求1所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特徵是，包括如下步驟第一步，將單晶矽粉與ZnS粉末混合，碳材料被固定在石英管內側； 第二步，首先升溫到90(TC，之後升溫到反應溫度IIO(TC，在溫度達到250。C時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應溫度IIO(TC下，保持腔內氣體流量，反應持續進行，反應完後將反應產物取出，在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。
3. 根據權利要求2所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特徵是，第一歩中，反應在臥式石英管式爐中進行，將裝有ZnS 粉末及單晶矽粉的陶瓷舟置於管式爐中央，同時把碳材料通過燒結固定於石英管 內側。
4. 根據權利要求2所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特徵是，第二步中，所述的升溫，升溫到90(TC的升溫速率為25 °C/min。
5、 根據權利要求2或4所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納 米纖維的方法，其特徵是，第二歩中，所述的升溫，升溫到反應溫度IIO(TC的 升溫速率為15'C/min。
6. 根據權利要求2或4所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納 米纖維的方法，其特徵是，第二步中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為5 1/h -30 1/h。
7. 根據權利要求2所述的用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特徵是，第三歩中，所述的反應持續進行，持續時間為2小時--4 小時。
全文摘要
一種用矽粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法，屬於納米材料技術領域。本發明採用單晶矽粉末作為反應矽源，以固態碳材料為前驅體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載氣，將矽粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合後進行氧化還原反應，從而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。本發明產量高，可以連續化操作，工藝簡單易行，成本低廉，對環境無汙染，採用惰性氣體保護，無明顯易燃危險原料，氣體價格低廉。
文檔編號C01B31/36GK101269812SQ20081003486
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者牛俊傑 申請人:上海交通大學