[發明專利]一種CVD法合成氮化硅納米環的方法

有效

• 申請號: 201310286829.8
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN103318857A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發明（設計）人: 杜紅莉;高愛舫
• 申請（專利權）人: 石家莊經濟學院
• 主分類號: C01B21/068
• 分類號: C01B21/068;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 石家莊國域專利商標事務所有限公司 13112
• 代理人: 蘇艷肅

技術領域

本發明涉及一種氮化硅納米材料的制備方法，具體地說是一種CVD法合成氮化硅納米環的方法。

背景技術

一維納米材料是研究電子傳輸行為、光學特性和力學性能等物理性質的理想系統，它們在構筑納米電子和光電子器件等集成線路和功能性元件的進程中充當著非常重要的角色，因此有關一維納米材料的制備、物理性質和應用的研究異常活躍。目前，人們已在金屬、氧化物、半導體以及聚合物等領域制備出多種形態的納米結構，比如納米線、納米帶、納米環、納米棒、納米鋸、納米管、納米棒陣列和核殼結構納米電纜等，并研究了它們的發光、電傳輸、場發射和光電導性質。

氮化硅（Si₃N₄）是一種具有優越特性的寬帶隙（E_g=5.3eV）半導體材料，類似于Ⅲ-Ⅵ族化合物氮化鎵和氮化鋁，可以獲得較高的摻雜濃度，從而具備成為優良宿主材料的潛力，可應用于微電子和納米光電子器件上。而且氮化硅還具有耐高溫、高強度、高模量、低密度和抗氧化等優異性能。所以，近年來對氮化硅低維納米結構的制備和對其光電性質的研究吸引了大家的關注。

納米材料的物理化學性質與其成分、形狀和尺寸有著密切的關系，具有特定形貌和可控維度的納米結構是未來構建新型微納光電子器件的基礎。環狀納米結構因其獨特的物理、化學性能以及在光、電、存儲等領域的潛在應用價值而受到廣泛的關注，而合成可用的納米環是實現其應用的前提。迄今，人們已經制備出多種納米環，如ZnO、GaN、AlN、ZnS、CdS納米環等。采用的合成方法主要有熱蒸發法、溶液法、水熱法、模板法、分子束外延法等。

但關于合成氮化硅納米環的研究還較少，目前有研究報道聚合物前驅體在催化劑的協助下，通過熱裂解的方法可制備得到氮化硅納米環，然而，這種方法存在一些缺點和局限性：（1）引入金屬元素作為催化劑，給提純造成較大難度；（2）制備過程繁雜，需要經過聚硅氮烷前驅體合成、固化交聯、球磨、高溫裂解四個步驟，成本較高。因此，發展工藝簡單、普適的可控合成氮化硅納米環的技術仍是十分必要的，對進一步拓展氮化硅材料的應用領域具有重要意義。

發明內容

本發明的目的就是提供一種CVD法合成氮化硅納米環的方法，以解決采用現有方法制備氮化硅納米環時因添加催化劑而造成后續提純難度大以及制備過程繁瑣的問題。

本發明是這樣實現的：

CVD法合成氮化硅納米環的方法包括如下步驟：

a、將硅粉和二氧化硅粉按摩爾比1:1混合均勻，得到混合粉料；

b、將混合粉料置于真空空間內，按氣體流量體積比為1:5~5:1通入氮氣和氨氣作為氮化反應氣體，所述氮化反應氣體的氣氛流量為50~200sccm；

c、升溫至1200~1400℃并保溫2~6h，制得氮化硅納米環，自然冷卻即可。

所述方法中，c步中升溫速率優選為5－10℃/min。

所述方法中，步驟a中所述硅粉為200目或更細的硅粉。

所述方法中，所述二氧化硅粉的粒徑優選為5~50μm。

所述方法中，所述步驟a中的硅粉粒徑優選為0.3~5μm，通過干法或濕法球磨工藝獲得。

所述濕法球磨工藝包括如下步驟：

a1、將200目硅粉置于行星式球磨機的不銹鋼研磨罐中，在研磨罐中加入若干大小不同的不銹鋼球；

a2、在研磨罐中加入無水乙醇，并使所述無水乙醇浸沒硅粉和不銹鋼球；

a3、啟動行星式球磨機，使硅粉在研磨罐中濕磨48h；

a4、停止行星式球磨機，將濕磨后的硅粉取出并用0.1mol/L的稀鹽酸潤洗過濾；

a5、在60℃的烘箱中對潤洗過濾后的硅粉進行烘干，制得所需硅粉。

所述干法球磨工藝包括如下步驟：

a1、將200目硅粉置于行星式球磨機的不銹鋼研磨罐中，在研磨罐中加入若干大小不同的不銹鋼球；

a2、向研磨罐中通入氬氣；

a3、啟動行星式球磨機，使硅粉在研磨罐中干磨48h；

a4、停止行星式球磨機，將干磨后的硅粉取出并用0.1mol/L的稀鹽酸潤洗過濾；

a5、在60℃的烘箱中對潤洗過濾后的硅粉進行烘干，制得所需硅粉。

所述方法中，步驟a中二氧化硅粉通過溶膠-凝膠法而制得，具體步驟如下：

a1、將正硅酸乙酯、無水乙醇、去離子水和濃鹽酸按照摩爾比1:4:4:0.05混合均勻，形成混合原料；