[發明專利]一種生長納米晶硅粉體的方法

有效

• 申請號: 201110202753.7
• 申請日: 2011-07-20
• 公開（公告）號: CN102320606A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 于威;徐艷梅;王新占;詹小舟;傅廣生
• 申請（專利權）人: 河北大學
• 主分類號: C01B33/03
• 分類號: C01B33/03;B82Y40/00
• 代理公司: 石家莊匯科專利商標事務所 13115
• 代理人: 王琪

技術領域

本發明涉及一種納米晶硅粉體的制備方法，尤其是一種利用射頻介質阻擋放電產生的等離子體來連續生長單分散的納米晶硅粉體的方法。

背景技術

由于納米結構的量子限制效應，硅納米結構材料呈現出了寬范圍的能級可調和室溫發光特性，在光電器件、全色顯示、太陽能電池、生物熒光標記、光通訊和硅基光集成等領域具有巨大應用潛力。

目前，多種技術已被應用于納米尺寸的納米晶硅粉體的制備，常用的制備方法主要有化學氣相沉積法、溶膠-凝膠法、化學溶液沉淀法、脈沖激光燒蝕法等。其中，溶膠-凝膠法及化學溶液沉淀法都屬于液體化學反應，不需要復雜的設備，但是顆粒團聚現象比較嚴重，獲得粒徑小、分布窄的顆粒很難；脈沖激光燒蝕法裝置復雜，需要價格昂貴的高功率激光器，且產量少；相較而言，化學氣相沉積法將原料氣體分解再凝聚成晶核，晶核在加熱區張成顆粒，此方法操作簡單，可以實現產業化生產，是目前人們最常采用的一種方法。

常用的等離子體增強化學氣相沉積裝置大部分都是用來沉積薄膜的，電極都是上下平行放置，在下電極上放上基片，原料氣體形成等離子體后在基片上沉積，最后形成薄膜，一般還需要在電極上加熱，有利于薄膜形成。通常沉積薄膜的壓強要求低于100pa。也有少部分這樣的裝置用于生長納米顆粒，但是需要高真空設備及加熱裝置，后處理還需要退火裝置，因此生產工藝比較復雜，而且控制粒子大小只能通過開啟、關閉射頻源實現。開射頻源的時候生成等離子體，開始生長粒子，關射頻源粒子停止生長，如此控制停留時間來達到控制粒子大小的目的。

文獻“L.Mangolini，E.Thimsen，U.Kortshagen.?High-Yield?Plasma?Synthesis?of?Luminescent?Silicon?Nanocrystals，NANO?LETTERS，2005，5(4):?655-659.”公開了一種基于等離子體增強化學氣相沉積法制備納米晶硅粉體的方法和裝置，使用一種噴流裝置來產生介質阻擋放電等離子體，其中充當電極的銅環套在通氣管道上，原料氣體從上而下經過通電形成的等離子體區，氣體分解生長成納米晶硅顆粒，然后在下部的收集網上完成收集，這種方法產生的等離子體穩定性差，原料氣體不能充分分解，而且生成的納米晶硅粉體的均勻性無法保證，即不能精確控制納米晶硅粒子大小，因此不適合大規模產業化生產。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種生產工序簡單、原料氣體分解充分，并且能夠精確控制納米晶硅粒子大小的連續生長納米晶硅粉體的方法。

為解決上述技術問題，本發明所采取的技術方案是：一種生長納米晶硅粉體的方法，其關鍵在于包括以下步驟：

A、從進氣管道向反應腔中通入混合氣體，流量比例為：氬氣30-150sccm，硅烷0.8-1.3sccm，氫氣1-10sccm的放電混合氣體；其中，氬氣為工作氣體，硅烷氫氣為反應氣體；

B、通過射頻源向豎直設置的一對電極中輸入射頻交流電，使得工作氣體放電，在做為電極阻擋層的石英片之間形成等離子體區；

C、所述反應氣體在等離子體區被等離子分解，分解的碎片形成納米晶硅核；

D、通過流量表調整通入的氣體的流量L和/或通過真空泵調整反應腔的壓強P，即可控制反應氣體流經等離子區的時間，通過控制停留時間t來控制生長納米晶硅顆粒的大小，所述停留時間t與氣體流量L和反應腔壓強P的關系為：

，其中，P₀為標準大氣壓，V為反應腔體積；

E、所述的納米晶硅顆粒隨著氣流流出等離子區后停止生長，在收集網上進行收集，得到粒度分布均勻的納米晶硅粉體。

步驟A中所述混合氣體比例為：氬氣80sccm，硅烷1.3sccm，氫氣10sccm，氣體總流量主要依靠氬氣流量調節。

步驟B中所述射頻交流電的頻率為13.56MHz，功率為18-100W。

所述反應腔的壓強P為100-3000帕。

所述生長納米晶硅粉體使用的裝置，其關鍵在于：包括反應腔，設置在反應腔頂部的進氣管道，設置在反應腔底部的收集腔，位于反應腔外部的射頻源，以及設置在收集腔內部的收集網；一對電極在反應腔中豎直設置，電極對應的兩端固定有充當介質阻擋層的石英片形成一對平行板，所述收集腔的底部連接有真空泵，位于收集腔的內部且在收集網的下面設有可調擋板。

所述進氣管道上設置有流量表，進氣管道的內部套裝有用以限流的石英導流管。

所述電極為外部包有一層絕緣體的鋁棒，鋁棒的內部設有用以通冷卻水以防所述鋁棒過熱燒毀的盲孔。