[發明專利]直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法

無效

• 申請號: 200710041701.X
• 申請日: 2007-06-07
• 公開（公告）號: CN101066763A
• 公開（公告）日: 2007-11-07
• 發明（設計）人: 牛俊杰;王健農;許前豐
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B33/113
• 分類號: C01B33/113;B82B3/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及一種納米材料技術領域的方法，具體是一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性能二氧化硅納米線的方法。

背景技術

半導體納米線由于尺寸小，具有不同于塊體材料的量子限域效應而在許多方面表現出優異性能；同時，隨著大規模集成電路線寬的逐漸減小，對于半導體納米纖維的研究顯得尤為重要，半導體納米線對于將來與集成電路工藝相兼容表現出了良好的潛力。因此，這將使得對于硅及氧化硅納米線的合成與應用研究被廣泛展開。到目前為止，對硅及氧化硅納米線的合成按照生長機理分主要有VLS法、氧化物輔助生長法、純化學法等等。在這些方法當中，由于VLS和氧化物輔助制備方法較為簡單而被廣泛關注。

疏水性材料在玻璃、雷達、天線等許多需要防潮功能的領域具有重要應用。具有疏水表面材料的應用可以為人類節省清潔費用和時間，可以借助雨水的作用自動清洗表面。目前人們對于各種有機物等材料進行了各種各樣的疏水性能研究。一維納米材料由于其特殊的幾何構造，表面具備一定的粗糙度，從而滿足了疏水性的要求，因而包括納米碳管、硅納米線、ZnO等一維納米材料已經被研究用于疏水性能。但對于氧化硅納米線在疏水性能方面，研究才剛剛起步。同時，對于具有降低表面自由能作用的含氟有機物，已經被用于多種疏水性材料表面，而在氧化硅納米線表面，也極少發現被應用研究。

經對現有技術的文獻檢索發現，沒有發現有研究者對采用直接熱蒸發ZnS合成的二氧化硅納米線進行疏水性研究，只是對其它方法合成的一維納米材料進行了疏水性研究。比如Y.Coffinier等在《Langmuir》(《蘭格繆爾》)2007年第23期第1608-1671頁上發表的“Preparation?of?superhydrophobic?siliconoxide?nanowire?surfaces”(制備超疏水性SiO₂納米纖維表面)，該文中提出在SiO₂納米纖維表面鍍一層含氟有機物，從而得到接觸角為150度的疏水表面。其不足在于：制備程序復雜，成本較高，應用范圍受到限制。

發明內容

本發明目的在于針對現有技術的不足，提供一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，使其可以簡單易行的在硅基底上大規模合成接觸角大于143度的超疏水性二氧化硅納米線表面。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明采用硅片作為反應襯底和硅源，以固態ZnS粉末作為反應輔助劑，以惰性氣體氬氣為載氣，通過在常壓下直接高溫熱蒸發反應在硅片表面生長成二氧化硅納米線，之后再在合成出的二氧化硅納米線表面蒸鍍一層全氟硅烷，從而得到接觸角高于140度的超疏水性二氧化硅納米線表面。

本發明包括如下步驟：

第一步，將硅片(矩形硅片1×1cm)放入石英管式爐中央，固態ZnS粉末被固定在石英管氣體流入的一側；

第二步，將爐體溫度升高到1350℃，在開始升溫時，通入惰性氣體氬氣；

第三步，在反應溫度1350℃下，保持腔內氣體流量，反應持續進行，反應完后將反應產物取出，在硅片表面得到大量二氧化硅納米線；

第四步，將得到的二氧化硅納米線和全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，進行蒸鍍反應，得到具有超疏水性能的二氧化硅納米線樣品。

第一步中，反應在臥式石英管式爐中進行，把固態ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側，矩形硅片放入石英管式爐中央。

第二步中，所述的將爐體溫度升高到1350℃，升溫速率為10℃/min。

第二步中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為50-500ml/min。

第三步中，所述的反應持續進行，持續時間為2-5小時。

第四步中，所述的全氟硅烷體積為0.05-0.2ml，蒸鍍反應溫度為150度，反應時間3.0小時。

本發明通過常壓高溫下ZnS與氧氣反應生成的S與硅反應，生成SiS，其再分解生成Si，從而氧化形成二氧化硅納米線結構，具體反應方程為：

Si+S＝SiS，2SiS↑＝Si+SiS₂，Si+O₂＝SiO₂。

加入惰性保護氣體氬氣的目的主要是把S蒸氣帶到硅片表面并與之反應。蒸鍍一層全氟硅烷有機物是為了降低表面自由能，從而使疏水性能提高，而一般物體沒有超疏水性，接觸角只有幾十度。

本發明工藝簡單易行，原料采用便宜而應用廣泛的硅片和ZnS粉末，并且使用非常少含量的全氟硅烷，可以方便地通過簡易管式爐和烘箱合成出高疏水性的二氧化硅納米線表面。