[發明專利]高純高產率網絡狀分枝氮化硅單晶納米結構的制備方法

無效

• 申請號: 200910089460.5
• 申請日: 2009-07-21
• 公開（公告）號: CN101603207A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 彭志堅;朱娜;王成彪;付志強;于翔;岳文;劉寶林;楊甘生
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（北京）
• 主分類號: C30B29/38
• 分類號: C30B29/38;C30B29/60;C30B23/00
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技術領域

本發明涉及一種高純度、高產率、網絡狀分枝氮化硅(Si3N4)單晶納米結構的制備方法， 屬于材料制備技術領域。

背景技術

納米材料因其特殊的物理效應如表面效應，小尺寸效應，宏觀量子隧道效應，庫倫阻塞 效應等具有不同于塊體材料的物理化學性質，廣泛應用于化工、微電子器件，精細陶瓷、冶 金、軍事、核工業以及醫學或生物工程等諸多領域。在納米材料科學的研究中，納米材料的 制備占據極為重要的地位，對納米材料的微觀結構和性能有重要的影響。近些年，合成具有 可控形貌的納米結構，促進電子器件的微型化，已成為人們的研究重點。

氮化硅具有高強度，低密度，良好的抗沖擊和抗氧化性能以及化學穩定性，而且還是一 種寬禁帶(5.3eV)的半導體材料，因而可以用于制備高性能復合材料以及在高溫和高輻射 等苛刻環境下使用的納米電子器件。制備氮化硅納米材料的主要方法有化學氣相沉積、熱蒸 發法、溶劑熱法、催化劑輔助裂解前軀體法等，利用這些方法人們制備得到了氮化硅納米線、 納米帶、納米棒、納米環等結構。

網絡狀分枝納米結構，是納米線在二維尺度上通過相互交聯疊加形成的，這種結構是一 種很好的增強增韌材料，可以作為陶瓷基、金屬基、聚合物基納米復合材料的增強成分從而 提高塊體材料的性能；此外，這種網絡多分枝結構還可以作為納米電子器件中的納米導線， p-n結等部件起著相互聯結、傳輸電子的作用。目前，人們已經通過化學氣相沉積法合成出了 SiC網絡狀納米結構、利用離子束輻射法制備了碳納米線網絡狀結構，用熱蒸發法合成了三 維δ-WO₃網絡狀納米結構等，但還沒有見到網絡狀分枝氮化硅納米結構的文獻報道。

發明內容

本發明的目的在于提出一種氮化硅網絡狀分枝納米結構備方法，該方法通過熱解高氮、 硅含量的有機聚合物前驅體制備得到高純度的網絡狀分枝的氮化硅單晶納米結構。該方法具 有蒸發源組成可控且可調、設備和工藝簡單、合成條件精確可控、產品收率高、成本低廉等 優點，所獲得的氮化硅網絡狀分枝納米結構產率高、純度高、結晶良好。

本發明提出的網絡狀分枝氮化硅單晶納米結構的制備方法，其特征在于，所述方法采用 熱解有機前驅體方法在鍍有催化劑的基片上合成網絡狀分枝氮化硅納米結構，包括以下步驟：

(1)高硅氮含量的聚硅氮烷，在高純氮氣、氬氣或者氨氣氣氛下，在160-300℃下經催 化或者無催化熱交聯固化0.5-2小時，得到半透明的SiCN非晶固體；

(2)將該半透明的SiCN非晶固體在瑪瑙容器中搗碎，然后和高耐磨氧化鋯磨球混合， 在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨機上研磨2-24小時至粉碎，得到顆粒直徑小于0.2μm的非 晶態SiCN粉末；

(3)將經球磨得到的非晶態SiCN粉末放置在剛玉坩堝底，將鍍有催化劑的基片置于坩 堝內粉末的上方，在氮氣或者氨氣保護下，快速升溫至1150-1450℃加熱20分鐘到4小時， 即可在基片上方得到大量高純度的網絡狀分枝氮化硅單晶納米結構。

在上述制備方法中，所述步驟(1)中的唯一蒸發源為高硅氮含量的聚硅氮烷。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中的交聯固化后的非晶固體在高耐磨容器中、在高耐 磨磨球的作用下磨細，不能引入任何其他表面活性顆粒。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中的交聯固化后的非晶固體經磨細后，顆粒直徑小于 0.2μm。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中的基片為硅片、砷化鎵片、藍寶石片、氮化硅單晶 片、氧化鋁模板之中的一種，且表面平整，光潔度好。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中的基片上沉積了一層均勻的金屬催化劑Fe、Co、 Ni、Cu薄膜之中的一種，且厚度為20-100nm。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中的用于生長氮化硅網絡狀分枝納米結構的基片離前 軀體粉末的距離為0-20mm。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中的升溫速度為10-50℃/分鐘。

采用本技術制備網絡狀分枝氮化硅單晶納米結構，與其他制備網絡狀納米結構的方法相 比，工藝和設備簡單、產品收率高、成本低廉，蒸發源組成可控且可調，便于進行摻雜和新 結構的可控制備，所獲得的網絡狀分枝氮化硅納米結構純度高且結晶良好。特別適合納米增 強材料使用，也可用作納電子器件。

附圖說明