六硼化銪納米線、納米管及其製備方法
2023-05-20 15:18:26
專利名稱：六硼化銪納米線、納米管及其製備方法
技術領域：
本發明涉及納米材料領域，具體涉及六硼化銪的納米線、納米管及其製備方法。
背景技術：
六硼化鑭作為一種提供高性能電子源的場發射材料，廣泛應用於現代科學技術。而六硼化銪在RB6(R為稀土)系列中逸出功相對較低，熔點高、尤其實高溫性能好，蒸發率小等優點。而作為場發射材料它們還有一個最顯著的優點就是能夠輸出大的發射電流密度，這一點對於在場致電子發射器件上應用時非常重要。
如果一維六硼化銪納米材料作為發射槍用於掃描電鏡，透射電鏡等需要提供高性能電子源的器件。對於類似棒狀場發射體來說，局域電場F(從發射體吸引電子的能力)能夠表述為所加電壓(V)、發射體尖端半徑(r)、發射體長度(h)和陰陽極之間的距離(d)的函數F＝1.2V(2.5+h/r)0.9[1+0.013d/(d-h)-0.033(d-h)/d]/d上述關係表表明，發射體半徑越小，還h/r就越大，局域電場F就會越強。也就是說，與傳統的同材料的發射體相比較而言，它能夠在較低的電壓下出現較大的發射電流。對場發射來說，這就意味著降低了開啟電壓，這些性質在其他的納米結構SiC，W，CuS和MoO3中已經被觀察到。一維納米材料小直徑和大的長徑比的一維納米線極大的提高了發射體尖端的局域電場。因此製備和研究納米結構的六硼化銪不僅具有科學價值，而且更具有現實意義。但是，目前關於一維結構的六硼化銪納米線和納米管的製備尚未見報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種六硼化銪納米線和納米管的製備方法。
本發明的另一目的在於提供一種上述方法製備的六硼化銪納米線、納米管。
一種六硼化銪的納米線、納米管的製備方法，包括如下步驟和工藝條件(1)將放有0.1-0.5g銪源的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入保護和還原氣體，其流速為10-100sccm；(2)將步驟(1)的管式電爐加熱到930-1110℃，然後通入硼源，其流速為10-100sccm；同時調節保護和還原性氣體流速為20-200sccm；保持15-60分鐘；(3)在保護氣體和還原性氣體的混合氣氣氛下降溫，直至冷卻至室溫；(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡，再烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管；所述硼源為BCl3；所述步驟(1)、(2)和(3)中的還原性氣體為H2氣，保護氣體為Ar氣，還原性氣體與保護氣體體積比為0.1-10∶1。
有益的是，所述銪源為金屬Eu，其粒度為0.1-0.5mm。
由上述方法製備的六硼化銪的納米線、納米管，所述納米線和納米管生長在襯底上，納米線的直徑約為50-500nm，長度約為0.5-8μm；納米管的直徑約1.3-1.6μm，長度約2-4μm，壁厚約50-60nm。單根LaB6納米線場有效發射電流密度高達5×105Acm-2，可作為一種提供高性能電子源的場發射材料。同樣，作為稀土金屬六硼化物的EuB6材料，逸出功相對較低，熔點高、尤其是高溫性能好，蒸發率小，有比較優越的的場發射性能等優點。可作為冷陰極電子源，應用於場致電子發射平板顯示器，冷陰極發光管，冷陰極光源等。
本發明的優點本發明首次製備出六硼化銪納米線和納米管，試驗過程簡單，易於操作，不需要複雜的工藝條件，便於工業化生產。
圖1是實施例1中六硼化銪納米線的SEM照片。
圖2是實施例2中六硼化銪納米結構的XRD譜。
圖3a是實施例2中六硼化銪納米線的SEM照片(納米線定向生長)。
圖3b是實施例2中六硼化銪納米線的SEM照片(納米線彎曲生長)。
圖4是實施例2中六硼化銪納米管的SEM照片。
圖5a是實施例2中單根六硼化銪納米線TEM照片及相應的電子衍射照片。
圖5b是實施例2中六硼化銪納米線的高分辨TEM照片。
圖6是實施例3中六硼化銪納米線的SEM照片。
圖7是實施例4中六硼化銪納米線的SEM照片。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但本發明要求保護的範圍並不局限於實施例表示的範圍。
實施例1(1)將放有0.5g Eu粉末(粒徑約0.1-0.5mm)的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入H2/Ar氣體，(H2氣和Ar氣的體積比為0.1，下面步驟比例同)，其流速為10sccm；(2)將管式電爐加熱到930℃，此時通入BCl3，流速為100sccm；同時調節保護和還原性氣體流速為200sccm；保持60分鐘；(3)反應後，在保護氣體和還原性氣體的混合氣(流速不限)氣氛下降溫(氣流流速不限)，直至冷卻至室溫。
(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡4小時，然後在烘箱中烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管。
圖1是本實施例所製備樣品的SEM照片。從圖中可以看出，該實施例製備出六硼化銪的納米線，大多數納米線直徑約為50-300nm，長度約1-2μm。用電鏡仔細觀察，還可以發現少量的六硼化銪納米管。
實施例2(1)將放有0.3g Eu粉末(粒徑約0.1-0.5mm)的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入H2/Ar氣體(H2氣和Ar氣的體積比為1，下面步驟比例同)，其流速為60sccm；(2)將管式電爐加熱到950℃，此時通入BCl3，流速為60sccm；同時調節保護和還原性氣體流速為120sccm；保持30分鐘；(3)反應後，在保護氣體和還原性氣體的混合氣(流速不限)氣氛下降溫(氣流流速不限)，直至冷卻至室溫。
(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡4小時，然後在烘箱中烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管。
圖2是本實施例所製備樣品的X射線衍射(XRD)譜，所有的衍射峰都對應於簡單立方結構的EuB6，對應的晶格常數a＝4.161，與EuB6體材料的晶格常數吻合得很好。沒有發現其他的雜峰。
圖3a是所製備部分樣品的SEM照片(納米線)，從圖中可以看出，納米線垂直於襯底生長，其直徑約為60-300nm，長約500nm-1.2μm。
圖3b是所製備另一部分樣品的SEM照片(納米線)，這些納米線與圖3a中所示的納米線相比，具有不同的形貌。大多數納米線彎曲生長，其直徑約為180nm，長約5-8μm。襯底凹凸不平是由於Si表面被BCL3腐蝕所致。
圖4是所製備部分樣品的SEM照片(納米管)，從圖中可以看出，納米管的直徑約1.3-1.6μm，長度約2-4μm，壁厚約50-60nm。
圖5是一根納米線的TEM形貌像以及相應的選區電子衍射(圖5a右上角)。從形貌像可知這根納米線的直徑約190nm，表面比較粗糙。圖5a右上角的選區電子衍射可以根據簡單立方結構的EuB6指標化，這與圖2的X射線粉末衍射所得到的結果一致。
圖5b是納米線的高分辨晶格條紋像。圖中的條紋間距0.422nm和0.243nm分別對應於簡單立方結構EuB6的(001)和(11-1)晶面，經測量圖中兩個晶面的夾角為125°，這與理論值125.3°符合的很好。圖中的長箭頭指向納米線的生長方向
。
圖2～圖5說明，本實施例的方法可同時製備六硼化銪的納米線和納米管。從掃描電鏡的觀察得知佔多數的是納米線，納米管相對較少。另外，X射線衍射，掃描電鏡和透射電鏡對製備的納米線和納米管進行了表徵。XRD譜，高分辨晶格條紋像和選區電子衍射均表明了所製備的納米線是單晶材料。
實施例3(1)將放有0.2g Eu粉末(粒徑約0.1-0.5mm)的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入H2/Ar氣體(H2氣和Ar氣的體積比為5，下面步驟比例同)，其流速為50sccm；(2)將管式電爐加熱到1050℃，此時通入BCl3，流速為50sccm；同時調節保護和還原性氣體流速為100sccm；保持30分鐘；(3)反應後，在保護氣體和還原性氣體的混合氣(流速不限)氣氛下降溫(氣流流速不限)，直至冷卻至室溫。
(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡4小時，然後在烘箱中烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管。
圖6是該實施例樣品EuB6納米線的SEM照片，由圖6可知，該實施例製備出六硼化銪的納米線，大多數納米線直徑約為50-100nm，長度約2-5μm。用電鏡仔細觀察，還可發現少量的納米管。
實施例4(1)將放有0.1g Eu粉末(粒徑約0.1-0.5mm)的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入H2/Ar氣體(H2與Ar的體積比為10，下面步驟比例同)，其流速為100sccm；(2)將管式電爐加熱到1100℃，此時通入BCl3，流速為10sccm同時調節保護和還原性氣體流速為20sccm；保持15分鐘；(3)反應後，在保護氣體和還原性氣體的混合氣(流速不限)氣氛下降溫(氣流流速不限)，直至冷卻至室溫。
(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡4小時，然後在烘箱中烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管。
圖7為本實施例較高樣品EuB6納米線的SEM照片，從該圖可知，本實施例製備出六硼化銪的納米線，大多數納米線直徑約為50-500nm，長度為1-7μm。用電鏡仔細觀察樣品，還可以發現少量的納米管。
以上實例中所製備的六硼化銪納米材料樣品的檢測，是用X射線衍XRD(DRIC-Y2000)、掃描電鏡SEM(JSM-6330F)、透射電鏡TEM(JEM-2010HR)等進行觀察和分析。
總體來說，經過電鏡觀察，本發明的方法可同時製備六硼化銪納米線和納米管，納米管的數量相對較少。其中納米線的直徑約為50-500nm，長度約為0.5-8μm；納米管的直徑約1.3-1.6μm，長度約2-4μm，壁厚約50-60nm。
權利要求
1.一種六硼化銪的納米線、納米管的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟和工藝條件(1)將放有0.1-0.5g銪源的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入保護和還原氣體，其流速為10-100sccm；(2)將步驟(1)的管式電爐加熱到930-1110℃，然後通入硼源，其流速為10-100sccm；同時調節保護和還原性氣體流速為20-200sccm；保持15-60分鐘；(3)在保護氣體和還原性氣體的混合氣氣氛下降溫，直至冷卻至室溫；(4)取出單晶矽片襯底，在蒸餾水中浸泡，再烘乾，得襯底上物質即為六硼化銪的納米線、納米管；所述硼源為BCl3；所述步驟(1)、(2)和(3)中的還原性氣體為H2氣，保護氣體為Ar氣，還原性氣體與保護氣體體積比為0.1-10∶1。
2.根據權利要求1所述的六硼化銪納米線和納米管的製備方法，其特徵在於所述銪源為金屬Eu，其粒度為0.1-0.5mm。
3.一種由權利要求1所述方法製備的六硼化銪納米線、納米管，其特徵在於，所述納米線和納米管生長在襯底上，納米線的直徑約為50-500nm，長度約為0.5-8μm；納米管的直徑約1.3-1.6μm，長度約2-4μm，壁厚約50-60nm。
全文摘要
本發明公開了六硼化銪納米線、納米管及其製備方法。該方法是先將放有銪源的單晶矽片襯底放入管式電爐的石英管中部，密封石英管，同時對石英管預抽真空，然後通入保護和還原氣體，再將電爐加熱到930－1110℃，然後通入硼源，同時調節保護和還原性氣體，保持15－60分鐘；在保護氣體和還原性氣體的混合氣氣氛下降溫，直至冷卻至室溫；硼源為BCl
文檔編號C01F17/00GK1850603SQ20061003561
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月26日 優先權日2006年5月26日
發明者趙彥明, 許軍旗, 鄒春雲, 丁琪瑋 申請人:華南理工大學