[發明專利]一種硅納米片陣列的制備方法

有效

• 申請號: 202011308192.4
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112408393B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 孟祥;程江;唐華;李璐;立岡浩一
• 申請（專利權）人: 重慶文理學院
• 主分類號: C01B33/021
• 分類號: C01B33/021;B82Y40/00;H01M10/052;H01M4/38
• 代理公司: 重慶晶智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 50229
• 代理人: 李靖

一種硅納米片陣列的制備方法，是將晶面為（111）的硅基板預處理后，與鈣置于真空中依次在630~640℃和700~720℃下進行分段加熱反應，反應完成后降至室溫，將反應后的硅基板置于氯化錳的乙醇溶液浸泡2h，然后與氯化錳顆粒分別置于分段加熱爐的兩端，全程通入氮氣，將氯化錳顆粒一端加熱至700~830℃，基板一端加熱至500~600℃保溫反應，反應結束后冷卻至室溫。本發明制備的硅納米片垂直于硅基板并形成陣列，納米片之間的間距達到10~100nm，納米片不團聚、不垮塌，納米片厚度在5~150nm之間可有效調控，高度達到2μm左右，產率高，產率可達到原材料的55.7~63.9%，形成高密度的硅納米片陣列，純度高達96.4%。

技術領域

本發明涉及硅納米材料技術領域，具體涉及一種硅納米片陣列的制備方法。

背景技術

硅是豐富的環境友好型元素，更是現代電子工業和光伏工業的基本材料。同時，硅還被應用于可降解的電子傳感器，藥物傳輸裝置以及鋰電池負極材料等新產業。近段時間，低維度硅納米材料的制備方法研究得到了長足發展，例如化學氣相沉積、化學刻蝕等。目前對二維硅納米片的研究相對較少，這主要是由于硅sp3雜化的立方結構，導致其不容易自組裝為原子厚度的二維納米結構材料，但硅納米片表現出優異的電學、光學和機械性能，比如自帶半導體屬性、大的比表面積、量子阱效應及表面可修飾等，在納米電子學、光電子學、能量轉換、能量存儲以及生物化學探測中有著重要的應用前景。特別地，具有內部空隙空間的二維Si基納米結構，具有高的理論容量，克服了大規模的體積變化問題，被認為是鋰電池中高性能電極材料的有利選擇。例如薄片及具有多層結構的納米片陣列有效地減小充放電過程中的體積變化，延長循環壽命；并且為鋰離子提供更多的活性位點，為鋰離子和電子傳輸提供良好的動力學性能。本納米片（Nanosheets）指具有厚度方向為納米級，甚至原子層級別的片狀結構體。納米片陣列優異的性能表現與其結構性能有著密切關系，研究表明納米片的密度、厚度以及排布方式對納米片陣列性能有很大的影響。

傳統納米材料制備方法中，化學氣相沉積（CVD）可以制備硅納米片（ACS Nano,2014, 8: 6556-6562），但其有較高的溫控等制備條件需求，而且對納米片的厚度、面積以及致密度等形貌參數的調控能力非常弱，也不能成形為規律陣列。另一種制備硅納米片的方法是采用二硅化鈣（CaSi₂）作為硅納米片的前驅體，通過對二硅化鈣進行金屬氯化鹽萃取鈣制備。二硅化鈣是一種具有二維硅層堆疊結構的過渡金屬津特耳（Zintl）硅化物，其中原子鍵連接的硅層被以離子鍵連接的鈣層相間隔。同時，硅鈣原子層之間通過弱的懸掛鍵相連接，遠弱于硅硅原子鍵，因此鈣層容易被化學反應等方法提取出，從而獲得二維的硅基納米結構。但該方法中的金屬氯化鹽處理時，容易帶入金屬雜質、形成金屬硅化物，生成的二維納米片結構很容易發生團聚自組裝，導致形貌不可控，結構性能不可控，制得的納米片陣列密度低，導電性較差，且其產率低、產量僅能達到原材料的1%。因此，目前制備厚度極薄的硅納米片及其陣列仍然是一個極大的挑戰。

發明內容

本發明目的在于提供一種硅納米片陣列的制備方法。該方法簡單、高效的制備出高密度可控的納米片陣列，解決目前制備硅納米片陣列所存在的密度低、形貌不可控等問題。

本發明目的通過如下技術方案實現：

一種硅納米片陣列的制備方法，其特征在于：晶面為（111）的硅基板預處理后，將硅基板與鈣置于真空中依次在630~640℃和700~720℃下進行分段加熱反應，反應完成后降至室溫，將反應后的基板置于氯化錳的乙醇溶液浸泡2h，然后與氯化錳顆粒分別置于分段加熱爐的兩端，全程通入氮氣，將氯化錳顆粒一端加熱至700~830℃，基板一端加熱至500~600℃保溫反應，反應結束后冷卻至室溫。