專利名稱：用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域的SiC納米纖維的合成方法，具體地說， 是一種用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法。
背景技術(shù)：
SiC納米纖維，作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，由于具有高機(jī)械強(qiáng)度，高熱傳導(dǎo)性，以及優(yōu)異的場發(fā)射等性能，使得其在高溫、高頻、超硬材料增強(qiáng)劑等惡劣 環(huán)境下顯示出良好的應(yīng)用潛能，被普遍認(rèn)為是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ陌雽?dǎo)體材料。目前，人們對于一維納米SiC納米纖維的合成制備已經(jīng)進(jìn)行了大量的實驗。到目 前為止，其合成方法主要有VLS法、納米碳管限制生長法、碳分解還原法等等。 但這些方法大多數(shù)得到少量的納米SiC納米纖維材料， 一般供物理表征、納米級應(yīng)用等實驗室研究方面。得到的樣品直徑一般在幾十個納米到幾百個納米之間， 表面存在較厚的氧化層以及較多的層錯，而且工藝復(fù)雜，制備溫度較高(一般高于1400度)。為了能比較容易的和當(dāng)前成熟的集成電路工藝相兼容，使得其納電 子器件中得以廣泛應(yīng)用，需要制備出宏觀量的高質(zhì)量SiC納米纖維，這樣才會為 今后的工業(yè)化應(yīng)用提供前提。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，S. T. Lee等在《Advanced Materials》(《先 進(jìn)材料》)2000年第12期第1186-1190頁上發(fā)表的"Oriented silicon carbide nanowires: synthesis and field emission properties"(定向排列SiC纟內(nèi)米 纖維的制備與場發(fā)射性能)，該文中提出一種利用有序排列的定向碳納米管為模板合成SiC納米纖維陣列的方法，其不足在于產(chǎn)品遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到宏觀量級，制備程序復(fù)雜，且制備出的SiC納米纖維直徑較粗(10-40 nm)，且受納米碳管直 經(jīng)限制，并且缺陷較多。這樣就為將來的產(chǎn)量化應(yīng)用設(shè)置了障礙。進(jìn)一歩檢索中， 尚未發(fā)現(xiàn)合成出宏觀量(數(shù)十克級)的單晶SiC納米纖維的報道。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法。本發(fā)明解決了目前制備SiC納米纖維產(chǎn)量較少， 不能夠通過直接反應(yīng)來達(dá)到宏觀量生產(chǎn)的問題，可以簡單易行的在較低溫度下利 用硅粉和硫化鋅粉末直接大規(guī)模合成出宏觀量晶體SiC納米纖維。所合成出的 SiC納米纖維結(jié)晶良好，表面光滑，氧化層薄，缺陷少，直徑小且分布均勻(平 均直徑10-30咖)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用單晶硅粉末作為反應(yīng)硅源， 以固態(tài)碳材料為前驅(qū)體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護(hù)氣體及載 氣，將硅粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合后進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而在陶 瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。本發(fā)明包括如下步驟第一歩，將單晶硅粉末與ZnS粉末在陶瓷舟內(nèi)均勻混合，碳材料被固定在石 英管內(nèi)側(cè)；第二步，首先升溫到90(TC，之后升溫到反應(yīng)溫度IIO(TC，在溫度達(dá)到250 "C時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應(yīng)溫度IIO(TC下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)完 后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在陶瓷舟內(nèi)得到宏觀量級的晶體SiC納米纖維。第一步中，反應(yīng)在臥式石英管式爐中進(jìn)行，將裝有ZnS粉末及單品硅粉末的 陶瓷舟置于管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管的內(nèi)側(cè)。第二步中，所述的升溫，升溫到90(rC的升溫速率為25TVmin，而升溫到反 應(yīng)溫度1100。C的升溫速率為15°C/min。第二歩中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為5-30 1/h。第三步中，所述的反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，持續(xù)時間為2-4小時。本發(fā)明通過調(diào)整單晶硅粉術(shù)與ZnS粉末的質(zhì)量和反應(yīng)時間，來控制形成晶體 SiC納米纖維的產(chǎn)量。單晶硅粉末與ZnS粉末多，反應(yīng)周期長，可以增加SiC納 米纖維的產(chǎn)量， 一般原反應(yīng)物10-20g可以生成大概l-2g純SiC納米纖維，產(chǎn)率 約為10%。加入惰性保護(hù)氣體氬氣的目的主要是把CO氣體帶到硅粉表面并與之 反應(yīng)。加入ZnS粉末是為SiC的成核提供更多機(jī)會，提高SiC納米纖維的的產(chǎn)量。 本發(fā)明工藝簡單易行，原料采用便宜而應(yīng)用廣泛的硅粉(可以直接將單晶硅片磨 碎)、碳材料和ZnS粉末，可以方便地通過簡易管式爐設(shè)備在陶瓷舟內(nèi)合成出宏觀量級、高質(zhì)量的SiC納米纖維。如果擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，SiC納米纖維可以達(dá)到工 業(yè)化生產(chǎn)級(如公斤級)的產(chǎn)量。本發(fā)明采用硅粉作為反應(yīng)硅源，以固態(tài)碳材料為前驅(qū)體，以ZnS粉末為輔助 劑，以惰性氣體氬氣為保護(hù)氣體及載氣，原料簡單易得，成本低廉，對環(huán)境無污 染；采用惰性氣體保護(hù)，無明顯易燃危險原料，氣體價格低廉；設(shè)備工藝簡單， 所制備出的樣品產(chǎn)量高、質(zhì)量好。而且本發(fā)明得到的SiC納米纖維直徑小且分布 均勻，平均直徑10-30nm。


圖l采用本方法所制備出的SiC納米纖維透射電鏡(TEM)照片具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。本實施例采用目前常用的單晶硅粉末(可以將單晶硅片直接磨碎)作為反應(yīng) 硅源，以固態(tài)碳材料為前驅(qū)體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護(hù)氣 體及載氣，將硅粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合后在一定溫度下進(jìn)行氧化 還原反應(yīng)，系統(tǒng)中殘留的氧氣會與硅粉顆粒發(fā)生反應(yīng)并在表面生成一層氧化物， 同時也會與碳生成CO氣體，當(dāng)CO氣體被帶到硅片表面時與氧化物發(fā)生反應(yīng)，從 而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。ZnS粉末的存在會使分解出的S 蒸氣與硅顆粒發(fā)生反應(yīng)生成SiS， SiS在較高溫度下會升華并分解出Si和SiS" 分解出的Si再與氧氣反應(yīng)生成氧化物，從而為SiC的成核提供更多機(jī)會，提高 合成產(chǎn)物的數(shù)量。實施例1合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進(jìn)行，將10g質(zhì)量比為l: l的單晶 硅粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置于干凈的陶瓷舟中，然后將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管內(nèi)側(cè)。先以25'C/min的速率 升溫到900°C，之后以15°C/min的速率升溫到反應(yīng)溫度ll(KTC。在溫度達(dá)到250 。C時，通入氣體流量為5 1/h的氬氣；在反應(yīng)溫度IIO(TC下，保持腔內(nèi)氣體流 量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行2小時，反應(yīng)完后將陶瓷舟取出，在舟內(nèi)得到宏觀量級(大概lg)的SiC納米纖維。 實施例2合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進(jìn)行，將20g質(zhì)量比為l: l的單晶硅粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置于干凈的陶瓷舟中，然后將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管內(nèi)側(cè)。先以25TVmin的速率 升溫到900°C，之后以15°C/min的速率升溫到反應(yīng)溫度IIOO'C。在溫度達(dá)到250 'C時，通入氣體流量為16 1/h的氬氣；在反應(yīng)溫度IIO(TC下，保持腔內(nèi)氣體流 量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行4小時，反應(yīng)完后將陶瓷舟取出，在舟內(nèi)得到宏觀量級(大概 2g)的SiC納米纖維(見圖1)。圖中可以看出，在陶瓷舟內(nèi)產(chǎn)生了 SiC納米纖 維。此外，制備出的SiC納米纖維基本上為單晶結(jié)構(gòu)，主要生長方向為〈111〉晶 向，〈Ul〉晶向強(qiáng)度最大，其他的晶向強(qiáng)度比較弱，生長方向主要為〈111〉晶向。 實施例3合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進(jìn)行，將16g質(zhì)量比為1: 1的單晶 硅粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置于干凈的陶瓷舟中，然后將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管內(nèi)側(cè)。先以25'C/min的速率 升溫到90(TC，之后以15TVmin的速率升溫到反應(yīng)溫度IIO(TC。在溫度達(dá)到250 'C時，通入氣體流量為30 1/h的氬氣；在反應(yīng)溫度110(TC下，保持腔內(nèi)氣體流 量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行3小時，反應(yīng)完后將陶瓷舟取出，在舟內(nèi)得到宏觀量級(大概 1.6g)的晶體SiC納米纖維。實施例4合成過程是在簡易的臥式石英管式爐中進(jìn)行，將12g質(zhì)量比為l: l的單晶 硅粉(電阻率不限)和ZnS粉末均勻混合，置于干凈的陶瓷舟中，然后將其放入 管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管內(nèi)側(cè)。先以25'C/min的速率 升溫到90CTC，之后以15°C/min的速率升溫到反應(yīng)溫度ll(KTC。在溫度達(dá)到250 。C時，通入氣體流量為20 1/h的氬氣；在反應(yīng)溫度IIO(TC下，保持腔內(nèi)氣體流 量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行2小時，反應(yīng)完后將陶瓷舟取出，在舟內(nèi)得到宏觀量級(大概 1.2g)的品體SiC納米纖維。
權(quán)利要求
1、一種用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法，其特征在于，采用硅粉末作為反應(yīng)硅源，以固態(tài)碳材料為前驅(qū)體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護(hù)氣體及載氣，將硅粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合后進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特征是，包括如下步驟第一步，將單晶硅粉與ZnS粉末混合，碳材料被固定在石英管內(nèi)側(cè)； 第二步，首先升溫到90(TC，之后升溫到反應(yīng)溫度IIO(TC，在溫度達(dá)到250。C時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應(yīng)溫度IIO(TC下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特征是，第一歩中，反應(yīng)在臥式石英管式爐中進(jìn)行，將裝有ZnS 粉末及單晶硅粉的陶瓷舟置于管式爐中央，同時把碳材料通過燒結(jié)固定于石英管 內(nèi)側(cè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特征是，第二步中，所述的升溫，升溫到90(TC的升溫速率為25 °C/min。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納 米纖維的方法，其特征是，第二歩中，所述的升溫，升溫到反應(yīng)溫度IIO(TC的 升溫速率為15'C/min。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納 米纖維的方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為5 1/h -30 1/h。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖 維的方法，其特征是，第三歩中，所述的反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，持續(xù)時間為2小時--4 小時。
全文摘要
一種用硅粉和硫化鋅粉末合成宏觀量晶體SiC納米纖維的方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用單晶硅粉末作為反應(yīng)硅源，以固態(tài)碳材料為前驅(qū)體，以ZnS粉末為輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護(hù)氣體及載氣，將硅粉與ZnS粉末在陶瓷舟容器中均勻混合后進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，從而在陶瓷舟中合成出宏觀量級的SiC納米纖維。本發(fā)明產(chǎn)量高，可以連續(xù)化操作，工藝簡單易行，成本低廉，對環(huán)境無污染，采用惰性氣體保護(hù)，無明顯易燃危險原料，氣體價格低廉。
文檔編號C01B31/36GK101269812SQ20081003486
公開日2008年9月24日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月20日
發(fā)明者?？〗?申請人:上海交通大學(xué)