CN101609735B - 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 - Google Patents
高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101609735B CN101609735B CN2009100894592A CN200910089459A CN101609735B CN 101609735 B CN101609735 B CN 101609735B CN 2009100894592 A CN2009100894592 A CN 2009100894592A CN 200910089459 A CN200910089459 A CN 200910089459A CN 101609735 B CN101609735 B CN 101609735B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nano
- coaxial nano
- sio2
- si3n4
- sio
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
本发明涉及一种以Si3N4为内核、SiO2为外壳的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的高纯度、高密度、高产率的制备方法，属于材料制备技术领域。本发明采用热解有机前驱体在镀有金属催化剂的基片上合成Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列。含有步骤(1)高含氮量的聚硅氮烷在160-300℃下的低温交联固化，得到半透明的非晶SiCN固体；(2)交联固化后的非晶SiCN固体在高耐磨器具中的高能球磨、粉碎；(3)高能球磨后得到的前驱体粉末在含有一定量氧气的载气保护下的高温热解、蒸发，并在镀有金属催化剂薄膜的基片上沉积得到所述的结构。所述方法合成工艺和设备简单，工艺参数可控性强，成本低廉，所得Si3N4/SiO2同轴纳米电缆生长有序，产量大、密度高、纯度高且直径分布均匀。所合成的同轴纳米电缆结构在原子力显微镜、近场光学显微镜、纳米力学探针和新型纳米复合材料增强剂等方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种高纯度、高密度、高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法，属于材料制备技术领域。
背景技术
自1997年法国科学家Colliex等在电弧放电获得的产物中发现C-BN-C同轴体系并命名其为同轴纳米电缆以来，同轴纳米电缆引起了各国科学家的极大兴趣，很快成为纳米材料研究的一个热点。同轴纳米电缆的内核通常为半导体或金属纳米线，鞘层为异质的导体或绝缘体壳，内核和鞘层是共轴的。同轴纳米电缆以其特殊的核/壳结构和独特的光、电、磁学性能在诸多领域有着广泛的应用前景，它可用作高密度集成元件之间的连接线，超级电容器、微型工具盒及微型机器人的部件，还可作为微型探针的针尖，用于原子力显微镜和纳米力学探针等重要的纳米级分辨率的探测仪器上。此外，同轴纳米电缆还可作为复合材料的增强剂，因其包敷层可选择与基体相匹配的材料，从而改善复合材料的性能。而在基础研究方面，同轴纳米电缆为一维体系的物理实验研究提供了条件，例如，可以研究在包敷层限域的条件下，芯部纳米线的电子输运行为，声子和光子的运动行为，以及热学行为的基本特征，从中发现新现象、新规律，为建立准一维纳米体系的新理论奠定基础(张立德.准一维纳米材料家族的新成员——同轴纳米电缆.中国科学院院刊，1999，5：350-352)。
探索制备高纯度、高产量和直径分布窄的同轴纳米电缆一直是人们关注的焦点。到目前为止，已有很多种方法用来制备具有同轴结构的纳米电缆，如水热法、溶胶-凝胶法、模板法、气相沉积法、激光烧蚀法等，利用这些方法，已制备出了不同种类的物质的同轴纳米电缆如：Ge/SiOx、Zn/ZnO、SiC/SiO2、Ga-doped Si3N4/SiON、α-Si3N4/Si/SiO2等。
Si3N4材料具有高强度、高硬度、良好的耐磨性、抗热震性和抗氧化等优异性能，而且还是一种宽禁带(5.3eV)的半导体材料，Si3N4/SiO2同轴纳米电缆中的SiO2外壳有着很好的绝缘性，可以防止氧化以及防止电子束等对纳米结构的辐射损伤，因而Si3N4/SiO2同轴纳米电缆可以用于制备高性能复合材料，以及在高温和高辐射等苛刻环境下使用的纳米电子器件。目前，文献报道仅有G.Z.Ran等人(G.Z.Ran，L.P.You，L.Dai，et al.Catalystless synthesis of crystalline Si3N4/amorphous SiO2nanocables from silicon substrates and N2.Chemical Physics Letters，2004，384：94-97)不用催化剂在硅片上合成得到了杂乱无序的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆，但杂乱无序的分布状态将导致纳米电缆的应用受限，因为纳米器件的构筑需要对一维纳米材料进行有序组装，使其具有阵列结构，并实现对其性能的设计调控，这也是纳米超微型器件的设计基础。目前还未见到有关Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法。该方法采用高氮、硅含量的有机聚合物前驱体为唯一蒸发源，通过热解的方法，在严格控制反应气氛中的氧气分压条件下，在镀有催化剂薄膜的指定基片上，制备得到Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列。该方法具有反应条件严格可控、实验设备和工艺简单、产品收率高、成本低廉等优点，所获得的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列，内核为单晶氮化硅，外壳为非晶二氧化硅，产物纯度高、密度高，且沿着纳米结构生长方向，纳米结构中的内核和外壳的直径分布都非常均匀，直径和长度可控。
本发明提出的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列制备方法，其特征在于，所述方法采用热解蒸发有机前驱体法在镀有催化剂的基片上合成Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列，包括以下步骤：
(1)高含氮量的聚硅氮烷，在高纯氮气、氩气或者氨气气氛下，在160-300℃下经催化或者无催化热交联固化0.5-2小时，得到半透明的SiCN非晶固体；
(2)将该半透明的非晶固体在玛瑙容器中捣碎，然后和高耐磨氧化锆磨球混合，在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨机上研磨粉碎2-24小时，得到颗粒直径小于0.2μm的非晶态SiCN粉末；
(3)将适量的经球磨后的非晶态SiCN粉末放置在刚玉坩埚底，将镀有催化剂的基片置于坩埚内粉末的上方，在保持一定氧气分压的前提下，用氮气或者氨气作载气和保护气，以极低的速率升温到设定温度，然后保温若干时间，即可在基片上得到高纯度、高密度、高产率的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列。
在上述制备方法中，所述步骤(1)中的唯一蒸发源为高含氮量的聚硅氮烷。
在上述制备方法中，所述步骤(2)中的交联固化后的非晶固体在高耐磨容器中、在高耐磨磨球下作用下磨细，不能引入任何其他表面活性颗粒。
在上述制备方法中，所述步骤(2)中的交联固化后的非晶固体经磨细后，颗粒直径小于0.2μm。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中所采用交联固化后的非晶态SiCN粉末，质量为0.1-5.0克。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的基片为硅片、砷化镓片、蓝宝石片、氮化硅单晶片、石英片、氧化铝模板之中的一种，且表面平整，光洁度好。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的基片上沉积了一层均匀的金属催化剂Fe、Co、Ni、Cu薄膜之中的一种，且厚度为2-50nm。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中采用纯度较高的氮气或者氨气作载气和保护气，但其中氧气分压控制在10-19到10-5个标准大气压之间。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的升温速率为0.5℃/分钟到10℃/分钟。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的热解温度为1100℃到1450℃。
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的最高温度下的保温时间为15分钟到4小时，
在上述制备方法中，所述步骤(3)中的单晶Si3N4纳米阵列生长的基片离被热解的交联固化粉末的距离为0-20mm。
采用本技术制备Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列，与传统的同轴纳米电缆的制备方法相比，设备和工艺简单、产品收率高、成本低廉，所获得的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆生长有序成阵列、密度高，核、壳沿纳米结构生长方向直径均匀，长度可控，纯度高。
附图说明
图1是本发明实施例1所制得的α-Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的X-射线衍射谱
图2是本发明实施例1所制得的α-Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的扫描电镜表面照片
图3是本发明实施例1所制得的α-Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列扫描电镜断面照片
图4是本发明实施例1所制得的α-Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的单根纳米结构的透射电镜照片
图5是本发明实施例1所制得的α-Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的单根纳米结构的高分辨透射电镜照片
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明提出一种Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法，其特征在于，所述方法采用热解有机前驱体在镀有催化剂的基片上合成Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列，并包括如下步骤和内容：
(1)所采用聚硅氮烷，硅、氮含量高，分别超过15at％和20at％，氧含量不超过3at％，且为所述方法沉积Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的唯一硅源。
(2)聚合物前驱体在高纯氮气、氩气或者氨气气氛下，在160-300℃下经催化或者无催化热交联固化0.5-2小时，分解除去水分和大多数氢，成为半透明的SiCN非晶固体。
(3)将该半透明的非晶固体在高耐磨的玛瑙容器中捣碎，然后和高耐磨氧化锆磨球混合，装在高耐磨的聚氨酯球磨罐中，在高能球磨机上研磨粉碎2-24小时，得到颗粒直径小于0.2μm的粉末。整个过程基本不引入表面活性颗粒，以利于前驱体在高温下蒸发，而不会原位生长得到其他结构的纳米材料。
(4)预先用磁控溅射镀膜机在表面光洁、经过超声清洗的硅片、砷化镓片、蓝宝石片、氮化硅单晶片、石英片或者氧化铝模板上沉积一层厚度为2-50nm厚的金属催化剂Fe、Co、Ni或Cu薄膜。
(5)将0.1-5.0克经球磨得到的前驱体粉末放置在刚玉坩埚底，将镀有催化剂的基片置于坩埚内粉末的上方0-20mm处。
(6)采用纯度较高的氮气或者氨气作载气和保护气，整个过程中保持恒定气流，且其中氧气分压控制在10-19到10-5个标准大气压之间。
(7)以0.5℃/分钟到10℃/分钟的升温速率缓慢加热到1100-1450℃，并保温15分钟到4小时。
所得到Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列外观上为白色薄膜。
在扫描电子显微镜下，能观察到高产量的有序生长的纳米结构阵列，而在透射电子显微镜下则可明显观察到Si3N4/SiO2同轴纳米电缆结构。
总之，经各种分析测试综合表明，这种阵列为无数Si3N4/SiO2同轴纳米电缆结构组成，其中，单根纳米结构由内核为单晶α-氮化硅、外壳为非晶二氧化硅层组成。
实施例1：初始原料为聚硅氮烷perhydropolysilazane，室温下为淡黄色粘稠液体，在260℃下无催化剂热交联固化0.5h，保护气氛为氮气，气流量为40ml/min，得到半透明的非晶态SiCN固体。将SiCN固体置于玛瑙研钵中捣碎，然后和直径为2mm的高耐磨PZT磨球混合，在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨机上研磨10小时。取0.3克经固化、粉碎的前驱体粉末，均匀分布在刚玉坩埚底部，然后切一小片镀有厚度为5nm厚Fe膜的硅片放置在粉末上方约2mm高的ZrO2支架上。然后放在管式炉中进行高温热解，在1250℃下保温2h后自然冷却至室温制得Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列。保护气氛为市售高纯氮气，气体流速为60ml/min。
所合成的纳米阵列结构中能明显探测到α-氮化硅相，同时还探测到了二氧化硅非晶包(见图1)，此纳米结构为高产率有序结构、密度很高(见图2和3)，同轴纳米电缆的外径为60-120nm，内径为20-90nm，内核为单晶的氮化硅，外壳为非晶的二氧化硅层，且生长非常均匀(见图4和5)，且纯度高(见图4)。
Claims (4)
1.一种以Si3N4为内核、SiO2为外壳的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的高纯度、高密度、高产率制备方法，其特征在于：所述方法通过热解有机前驱体在镀有催化剂的基片上合成Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列，包括以下步骤：
(1)高含氮量的聚硅氮烷，在高纯氮气、氩气或者氨气气氛下，在160-300℃下经催化或者无催化热交联固化0.5-2小时，得到半透明的SiCN的非晶固体；
(2)将该半透明的SiCN非晶固体在玛瑙容器中捣碎，然后和高耐磨氧化锆磨球混合，在聚氨酯球磨罐中，在高能球磨机上研磨粉碎2-24小时，得到颗粒直径小于0.2μm非晶态SiCN粉末；
(3)将0.1-5.0克的经球磨的交联固化后的颗粒直径小于0.2μm非晶态SiCN粉末放置在刚玉坩埚底，将镀有过渡金属薄膜催化剂的基片置于坩埚内粉末的上方2-20mm处，在氮气或者氨气保护下，以0.5℃/分钟到10℃/分钟的升温速率加热到1100-1450℃，并保温15分钟到4小时，即可在基片上得到大量高纯度、高密度的Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的基片为硅片、砷化镓片、蓝宝石片、氮化硅单晶片、石英片或氧化铝模板。
3.按照权力要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的基片上沉积了一层2-50nm厚的过渡金属Fe、Co、Ni或Cu薄膜为催化剂。
4.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的载气和保护气为纯度较高的氮气或者氨气，其中氧气分压在10-19到10-5个标准大气压之间。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100894592A CN101609735B (zh) | 2009-07-21 | 2009-07-21 | 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100894592A CN101609735B (zh) | 2009-07-21 | 2009-07-21 | 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101609735A CN101609735A (zh) | 2009-12-23 |
| CN101609735B true CN101609735B (zh) | 2011-08-31 |
Family
ID=41483435
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009100894592A Expired - Fee Related CN101609735B (zh) | 2009-07-21 | 2009-07-21 | 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101609735B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102477205A (zh) * | 2010-11-22 | 2012-05-30 | 深圳至佳美科技有限公司 | 一种纳米改性的无卤耐磨电缆料及其制备方法 |
| CN102931149B (zh) * | 2012-11-15 | 2015-06-03 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 纳米二氧化硅-纳米氮化硅复合材料及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000041808A1 (en) * | 1999-01-12 | 2000-07-20 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Carbide and oxycarbide based compositions and nanorods |
| US6190634B1 (en) * | 1995-06-07 | 2001-02-20 | President And Fellows Of Harvard College | Carbide nanomaterials |
| CN1472751A (zh) * | 2003-06-27 | 2004-02-04 | 西北工业大学 | 非晶SiO2包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法 |
| CN1724466A (zh) * | 2005-07-15 | 2006-01-25 | 清华大学 | 一种合成Si基一维纳米材料的方法 |
| JP2007223024A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-09-06 | Commiss Energ Atom | 局在細長ナノストラクチャの成長用担体を製造する方法 |
-
2009
- 2009-07-21 CN CN2009100894592A patent/CN101609735B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6190634B1 (en) * | 1995-06-07 | 2001-02-20 | President And Fellows Of Harvard College | Carbide nanomaterials |
| WO2000041808A1 (en) * | 1999-01-12 | 2000-07-20 | Hyperion Catalysis International, Inc. | Carbide and oxycarbide based compositions and nanorods |
| CN1472751A (zh) * | 2003-06-27 | 2004-02-04 | 西北工业大学 | 非晶SiO2包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法 |
| CN1724466A (zh) * | 2005-07-15 | 2006-01-25 | 清华大学 | 一种合成Si基一维纳米材料的方法 |
| JP2007223024A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-09-06 | Commiss Energ Atom | 局在細長ナノストラクチャの成長用担体を製造する方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| G.Z.Ran等.catalystless synthesis of crystalline si3n4/amorphous sio2 nanocables from silicon substrates and n2.《chemical physics letters》.2004,第384卷(第1-3期),94-97. * |
| 赵建国,郭永,冯锋等.纳米电缆材料的研究进展.《材料工程》.2008,(第7期),83-87. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101609735A (zh) | 2009-12-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9676627B2 (en) | Growth of silicon and boron nitride nanomaterials on carbon fibers by chemical vapor deposition | |
| CN101434406B (zh) | 锗酸铜纳米线及其制备方法 | |
| CN101609735B (zh) | 高纯度高密度高产率Si3N4/SiO2同轴纳米电缆阵列的制备方法 | |
| Khadher et al. | Metal oxide thin films: a mini review | |
| WO2008102357A2 (en) | Method for the preparation of ceramic materials | |
| CN100377295C (zh) | 一种碳化硅/二氧化硅同轴纳米电缆的制备方法 | |
| CN101603207B (zh) | 高纯高产率网络状分枝氮化硅单晶纳米结构的制备方法 | |
| CN1286123C (zh) | 非晶SiO2包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法 | |
| CN115894042B (zh) | 一种超高硬度高熵金属硼化物陶瓷及其低温无压制备方法 | |
| Wang et al. | Synthesis of Boron Nitride Nanotubes by Self‐Propagation High‐Temperature Synthesis and Annealing Method | |
| Ahlawat | Preparation and effect of thermal treatment on Gd 2 O 3: SiO 2 nanocomposite | |
| CN101550600B (zh) | 高纯度高密度单晶氮化硅纳米阵列的制备方法 | |
| JP2002154819A (ja) | 酸化珪素のナノワイヤの製造方法 | |
| CN103787407B (zh) | 反应球磨法制备纳米TiCN/Al2O3复合粉末的方法 | |
| CN103318946A (zh) | 一种碳热还原制备较高长径比ZnO纳米线的方法 | |
| CN113213438A (zh) | 氮化硼纳米管及其制备方法 | |
| CN101531374B (zh) | 硼纳米线的制备方法 | |
| Yin et al. | Novel route to cubic boron nitride dendritic nanostructures under electron beam irradiation | |
| CN103833039B (zh) | 一种珊瑚状二氧化硅非晶纳/微米结构的制备方法 | |
| Park et al. | The deposition characteristics and the structural nature of the deposit in the chemical vapour deposition of boron | |
| CN112723356B (zh) | 一种层级结构SiOC透波材料、制备方法及其应用 | |
| CN109950338B (zh) | 一种Si2Te3/Si2Te3@Si纳米线异质结及其制备方法 | |
| CN109650382B (zh) | 一种大尺寸类石墨烯及其制备方法 | |
| Greulich-Weber et al. | Bottom-up Routes to Porous Silicon Carbide | |
| Qi et al. | Characterizations of simultaneously fabricated silicon and silicon monoxide nanowires |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110831 Termination date: 20120721 |