CN100415952C - 热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
一种热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，属于纳米材料技术领域。本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，进行氧化还原反应，从而在硅片上成核并生长成大量小直径单晶有序排列的SiC纳米丝阵列。本发明工艺简单易行，成本低廉，对环境无污染，采用惰性气体保护，无明显易燃危险原料，气体价格低廉；收率高，可以连续化操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，具体是一种热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法。
背景技术
一维纳米半导体材料由于其独特的物理性能以及特殊的几何构造，已经逐步引起了人们的兴趣。而作为宽禁带宽度的SiC纳米丝，由于其高的机械强度，高的热传导性，以及优异的场发射等性能，在高温、高频等恶劣环境下显示出良好的应用潜能，特别是在超硬材料增强剂和场发射性能方面，目前被普遍认为是一种极具潜力的半导体材料。正是基于以上种种原因，一维纳米SiC纳米丝在各个领域中的研究被广泛展开。人们对于一维纳米SiC纳米丝的合成制备已经进行了大量的实验。到目前为止，按照生长机理分主要有VLS法、纳米碳管限制生长法、碳分解还原法等等。但这些方法大多数得到杂乱无章的一维纳米SiC纳米丝材料，直径在几十个纳米到几百个纳米之间，表面存在较厚的氧化层以及较多的层错。而且制备温度较高(一般高于1400度)且工艺复杂，这对于可操作性的应用来讲极为不利。为了能比较容易的和当前成熟的集成电路工艺相兼容，未来的纳电子工艺需要所制备出的SiC纳米丝具有有序排列结构，并且需要较好的单晶化。
经对现有技术的文献检索发现，很少有研究者合成出有序排列的小直径单晶SiC纳米丝阵列。S.T.Lee等在《Advanced Materials》(《先进材料》)2000年第12期第1186-1190页上发表的“Oriented silicon carbide nanowires：synthesis and field emission properties”(定向排列SiC纳米丝的制备与场发射性能)，该文中提出一种利用有序排列的定向碳纳米管为模板合成SiC纳米丝阵列的方法，其不足在于：制备程序复杂，而且制备出的SiC纳米丝直径较粗(10-40nm)，且受纳米碳管直经限制，并且缺陷较多。这样就为将来的纳电子器件工艺制造了麻烦。
发明内容
本发明目的在于针对目前制备SiC纳米丝有序阵列工艺比较复杂，大部分不能通过直接反应来合成的情况，提供一种热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，可以简单易行的在较低温度和硅基底上大规模合成出小直径单晶SiC纳米丝有序阵列。所生成的单晶SiC纳米丝基本上以<111>方向为生长取向，表面光滑，氧化层薄，缺陷少，直径小且分布均匀(平均直径8nm)。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，在一定温度下进行氧化还原反应，从而在硅片上成核并生长成大量小直径单晶有序排列的SiC纳米丝阵列。
以下对本发明进行进一步的说明，具体步骤如下：
第一步，将硅片与ZnS混合，碳材料被固定在石英管一侧；
第二步，首先升温到900℃，之后升温到反应温度1100℃，在温度达到250℃时，通入惰性气体氩气；
第三步，在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量小直径单晶有序排列SiC纳米丝阵列。
第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，将装有ZnS粉末及干净硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。
第二步中，所述的升温，升温到900℃的升温速率为25℃/min，而升温到反应温度1100℃的升温速率为15℃/min。
第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为5-30 l/h。
第三步中，所述的反应持续进行，持续为2-4小时。
本发明主要化学反应方程为：
2C+O2→2CO↑
2Si+xO2→2SiOx(0＜x＝2)
SiOx+4CO→SiC+3CO2↑
2ZnS+O2＝2ZnO+2S↑(大于300℃)
Si+S＝SiS(大于900℃)
2SiS↑＝Si+SiS2(大于)1000℃)
本发明通过调整气体流量，来控制形成一维纳米硅材料的结构。气体流量较小，生长速度较慢，有利于形成单晶SiC纳米丝阵列。加入惰性保护气体氩气的目的主要是把CO气体带到硅片表面并与之反应。加入ZnS是为SiC的成核提供更多机会，更能促使有序阵列的形成。本发明工艺简单易行，原料采用便宜而应用广泛的硅片、碳材料和ZnS粉末，可以方便地通过简易管式炉设备在硅片沉底上合成出大量小直径单晶有序排列的SiC纳米丝阵列。
本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，原料简单易得，成本低廉，对环境无污染；采用惰性气体保护，无明显易燃危险原料，气体价格低廉；设备工艺简单，所制备出的样品有序化程度高，质量好。本发明得到的单晶SiC纳米丝直径小且分布均匀，平均直径8nm。
附图说明
图1采用本方法所制备出有序排列的SiC纳米丝阵列扫描电镜(SEM)照片
图2采用本方法所制备出的SiC纳米丝阵列XRD衍射图片
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例采用目前集成电路工艺中最常用的硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，在一定温度下进行氧化还原反应，系统中残留的氧气会与硅片发生反应并在表面生成一层氧化物，同时也会与碳生成CO气体，当CO气体被带到硅片表面时与氧化物发生反应，从而形成SiC纳米丝阵列结构。而ZnS的存在会使得分解出的S与硅发生反应生成SiS，SiS在较高温度下会升华并分解出Si和SiS2，分解出的Si再与氧气反应生成氧化物，从而为SiC的成核提供更多机会，更好的促使有序阵列的形成。
实施例1
合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将装有2g ZnS粉末及3片干净的硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。先以25℃/min的速率升温到900℃，之后以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为5 l/h的氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行2小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量小直径单晶SiC纳米丝有序阵列。
实施例2
合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将装有3g ZnS粉末及5片干净的硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。先以25℃/min的速率升温到900℃，之后以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为16 l/h的惰性气体氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行3小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量小直径单晶SiC纳米丝有序阵列(见图1)。图中可以看出，在硅片表面产生了大量有序排列的SiC纳米丝阵列。制备出的SiC纳米丝基本上为单晶结构，主要生长方向为<111>晶向，其晶体结构可以从图2中看出。其中<111>晶向强度最大，其他的晶向强度非常弱，显示出生长方向主要为<111>晶向。
实施例3
合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将装有4g ZnS粉末及4片干净的硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。先以25℃/min的速率升温到900℃，之后以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为30 l/h的惰性气体氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行4小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量小直径单晶SiC纳米丝有序阵列。
实施例4
合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将装有1g ZnS粉末及4片干净的硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。先以25℃/min的速率升温到900℃，之后以15℃/min的速率升温到反应温度1100℃。在温度达到250℃时，通入气体流量为15 l/h的惰性气体氩气；在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行3小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量小直径单晶SiC纳米丝有序阵列。
Claims (6)
1. 一种热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征在于，采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，进行氧化还原反应，从而在硅片上成核并生长成大量平均直径为8nm的单晶有序排列的SiC纳米丝阵列。
2. 根据权利要求1所述的热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征是，包括步骤如下：
第一步，将硅片与ZnS混合，碳材料被固定在石英管一侧；
第二步，首先升温到900℃，之后升温到反应温度1100℃，在温度达到250℃时，通入惰性气体氩气；
第三步，在反应温度1100℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量平均直径为8nm的单晶有序排列SiC纳米丝阵列。
3. 根据权利要求2所述的热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征是，第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，将装有ZnS粉末及干净硅片的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管气体通入的一侧。
4. 根据权利要求2所述的热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征是，第二步中，所述的升温，升温到900℃的升温速率为25℃/min，而升温到反应温度1100℃的升温速率为15℃/min。
5. 根据权利要求2所述的热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为5-30l/h。
6. 根据权利要求2所述的热蒸发法合成小直径单晶SiC纳米丝有序阵列的方法，其特征是，第三步中，所述的反应持续进行，持续为2-4小时。
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