CN102719029A

CN102719029A - 碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102719029A
Application number: CN2012101880620A
Authority: CN
Inventors: 朱骏; 陈小兵; 吴悦迪; 陈海涛
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-08
Also published as: CN102719029B

Abstract

碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法：先将硅粉末经球磨减小粒径，再按摩尔比为1:1.5－1:2.5与活性炭粉混合，在管式炉中高温反应制成碳化硅纳米线。此过程中，先用高纯氩气清洗管道，在1275－1325℃反应2－4小时，继以在空气中600－700℃加热纯化样品，得到高纯碳化硅纳米线。将碳化硅纳米线与聚苯乙烯颗粒一起加入到甲苯中，超声振荡，使得聚苯乙烯颗粒完全溶解、碳化硅纳米线充分分散，得到分散液；用滴管吸取分散液用旋覆法在硅片上制成湿膜；将湿膜在空气中干燥，得到发光薄膜。本发明制备的薄膜厚度均匀，成品率高，在紫外光激发下，薄膜在波长为410nm处有较强蓝光发射，发光性能稳定。

Description

碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，属于发光薄膜制备技术领域。

背景技术

作为信息技术的载体，微电子产业在近几十年的高速发展过程中，一直在依靠缩小器件特征尺寸和提高精度来发展超大规模集成电路的半导体工艺，但这终将在不远的将来达到极限。光电子器件正是克服这一瓶颈最具有吸引力的解决方法。发展光电子器件的首要任务就是寻找合适的光源，但是现在半导体工业的基础材料硅在可见光范围内不能发光。为了克服这个困难，就必须寻找一种可以替代硅的，性质稳定的半导体材料。这不仅可用于发展光电子器件中光源，也可用于如发光二极管等照明元件。

作为第三代半导体材料的典型代表，碳化硅(SiC)具有一系列硅材料所不具有的优异特性：高热导率、低热膨胀系数、高击穿电场、高饱和电子速率、易掺杂形成p型或n型半导体、稳定的化学性质，宽带隙，这表明它是制造电子和光电子器件的理想材料。但是SiC体材料的在室温下的发光极其微弱，所幸的是，SiC的尺寸减小到纳米量级后，由于小尺寸效应导致的激发和复合效率大大增强，其发光效率提高，并且发光峰与其带隙相比，出现了明显的蓝移。由于SiC的高化学与热稳定性，其纳米材料的制备非常困难，常常需要极高的温度、高真空、或高压等非常苛刻的实验条件，使用有毒、易燃易爆的有机物硅或碳源，且工艺过程复杂，不能批量生产。由此带来了基于SiC的发光薄膜制备也极为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，制备工艺过程安全、经济、无污染，可大批量生产，该工艺制备的碳化硅纳米线为单一的立方相碳化硅，碳化硅纳米线的直径均一，直径在60－80 nm之间，制备的薄膜厚度均匀，成品率高，在波长为325 nm紫外光激发下，在410 nm处有较强的蓝光发光峰，发光性能稳定。

为解决上述技术问题，本发明碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，包括以下步骤：

a 碳化硅纳米线的制备：

（1）将硅粉与直径为5－15 mm的玛瑙球一起加入聚氟乙烯罐中，玛瑙球与硅粉的重量比为10:1－15:1，再在其中加入无水乙醇至浸没玛瑙球，密封后用行星式球磨机球磨18－24小时，转速为每分钟350－450转；球磨后的糊状物在真空干燥箱中烘干，干燥时减压至0.1标准大气压以下，温度设置为80－90℃，干燥12－18小时后得到纳米级硅粉末；

（2）按硅、碳摩尔比为1:1.5－1:2.5称取纳米级的硅粉末和活性碳粉末，加入玛瑙研钵中，充分研磨使纳米级的硅粉末与活性碳粉末充分混合；将混合后的粉末平铺于一只氧化铝舟中，并将此氧化铝舟置于水平管式炉的氧化铝管中央，在Ar气保护下于1275－1325℃加热反应2－4小时，之后自然降至室温；在加热之前，往水平管式炉的氧化铝管中通入Ar气，Ar气的流量为400－500标准立方厘米/每分钟，时间为15－25分钟；开始加热后，Ar气的流量保持在10－20标准立方厘米/每分钟，直至系统降至室温，关闭Ar气；

（3）将降至室温后的产品在空气中加热至600－700℃，保持2－3小时，得到碳化硅纳米线；

b以碳化硅纳米线作为基体制备发光薄膜：

（1）将上述碳化硅纳米线加入到甲苯中，再在甲苯中加入聚苯乙烯颗粒，碳化硅纳米线，聚苯乙烯及甲苯的重量比为1 : 1－1.5 : 100－150，超声振荡20－40分钟，直至聚苯乙烯颗粒完全溶解，使得碳化硅纳米线充分分散，得到分散液；

（2）用滴管吸取分散液滴于匀胶台上旋转的硅片上，旋转速度为1500－2000转/分钟，制成湿膜；

（3）将湿膜在空气中干燥直至薄膜中的甲苯完全挥发，得到碳化硅纳米线基发光薄膜。

所述碳化硅纳米线的制备中步骤（2）硅、碳摩尔比为1:2。

所述碳化硅纳米线的制备中步骤（2）加热温度为1300℃。

所述以碳化硅纳米线作为基体制备发光薄膜中步骤（1）碳化硅纳米线、聚苯乙烯及甲苯的重量比为1 : 1－1.2 : 100。

本发明工艺方法简单、经济、先进，以硅粉和活性碳粉末为原料，在氩气保护、常压环境下，高温反应生成碳化硅纳米线，再将这些纳米线在硅基片上制备成薄膜，在紫外光激发下，薄膜有较强的光发射。

在碳化硅纳米线的制备过程中，所用原料为碳化硅制备所需的最简单原料，用较简单经济的工艺，批量制备立方相碳化硅纳米线，制备工艺过程安全、经济、无污染。经过X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜测试表明，该工艺制备的碳化硅纳米线为单一的立方相碳化硅，碳化硅纳米线的直径均一，直径在60－80 nm之间，长度在几十微米以上。

在薄膜的制备过程中，用的是薄膜制备工艺中最简单的旋覆法，装置廉价，所制备的薄膜厚度均匀，成品率高。发光薄膜的光致发光谱的测试表明，在波长为325 nm紫外光激发下，在410 nm处有较强的蓝光发光峰。经过近2个月在空气中放置，其发光峰的位置与强度都没有变化。表明本工艺制备的碳化硅纳米线基薄膜有较稳定的发光性能，可用于光电集成器件中的光源或半导体照明元件中。

附图说明

图1 本发明制得的立方相碳化硅纳米线的X射线衍射谱图；

图2 本发明制得的立方相碳化硅纳米线的扫描电子显微照片；

图3 本发明所制备的碳化硅纳米线基发光薄膜的光致发光谱图。

具体实施方式

本发明涉及的原料中硅粉为分析纯，活性碳为化学纯，其它材料中，氩气的纯度为99%，无水乙醇、甲苯与聚苯乙烯均为分析纯。所有原料都是直接从市场购置，未经再加工处理。

称取适量的硅粉末，按硅与玛瑙球的重量比1:10－1:15加入到聚氟乙烯球磨罐中，玛瑙球的直径在5 mm到15 mm之间，加入无水乙醇至浸没玛瑙球后密封，用行星式球磨机球磨18－24小时，球磨机的转速为每分钟350－450转。球磨结束后，将得到的糊状物置于真空干燥箱中，抽真空到0.1标准大气压以下，升温到80－90℃，干燥12－18小时，得到纳米级硅粉末。

按摩尔比为1:1.5－1:2.5，优选1:2，称取纳米级硅粉末与活性碳粉末，加入到玛瑙研钵中充分混合。将混合粉末平铺于一个氧化铝舟中，并将此氧化铝舟放在一台水平管式炉的氧化铝管中央位置。向氧化铝管中通高纯氩气15－25分钟，流量为400－500标准立方厘米/每分钟（SCCM），以排除管道中的绝大部分的空气。再将Ar气的流量降至10－20 SCCM，开始加热，升温至1275－1325℃，优选1300℃，保温2－4小时后关闭管式炉电源，让其自然冷却至室温。最后在空气中，以600－700℃加热2－3小时，以去除其中反应剩余的活性碳，即可得到高纯碳化硅纳米线。

对所制备的碳化硅纳米线进行测试，得到图1、图2。由图1可以看出，使用本发明所制备的样品的X射线衍射谱图与标准立方相碳化硅的X射线衍射峰位一致，没有其它杂相，表明用本发明的技术制备的产品为高纯立方相碳化硅。图2为用本发明所制备的样品的扫描电镜照片，从图中可以看出，产品为纳米线，没有颗粒等其它结构。碳化硅纳米线的表面光滑，直径在60－80 nm之间，长度在几十微米以上，对于每一个单根纳米线，其直径均一。透射电子显微镜的观测也进一步证实了以上结果。

将上述制备的碳化硅纳米线加入到甲苯中，同时加入聚苯乙烯颗粒，碳化硅纳米线，聚苯乙烯及甲苯的重量比为1 : 1－1.5 : 100－150，优选1 : 1－1.2 : 100，超声振荡20－40分钟，直至聚苯乙烯颗粒在甲苯中完全溶解，碳化硅纳米线也在其中充分分散。用滴管吸取这些溶解了聚苯乙烯并分散有碳化硅纳米线的液体，滴到在匀胶台上旋转的硅片上，匀胶台的旋转速度为1500－2000转/分钟，制成湿膜。重复滴加分散液，达到要求的薄膜厚度。最后在空气中干燥，使其中甲苯完全挥发制成薄膜样品。

对薄膜进行光致发光谱的测试：用波长为325 nm的紫外光照射激发薄膜样品，测试其发光谱，如图3所示。在其发光谱观测到在375－450 nm处有一个明显的发光峰，该峰的发光中心位于410 nm处。发光谱中在500 nm附近还有一个较宽的发光峰。为验证为两个峰的来源，不加碳化硅纳米线制备薄膜并测试其发光谱，在其中只发现了500 nm纳米处的发光峰。这说明在375－450 nm处的发光峰来源于碳化硅纳米线。薄膜在空气中常温老化两个月后，再次测试其发光谱，发现发光峰的位置与强度几乎没有变化，这说明薄膜的发光稳定性较好。所有这些测试表明该工艺制备的薄膜可用于下一代的光电集成器件中光源或半导体发光器件。

Claims

1.碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

a. 碳化硅纳米线的制备：

（1）将硅粉与玛瑙球一起加入聚氟乙烯罐中，玛瑙球与硅粉的重量比为10:1－15:1，再在其中加入无水乙醇至浸没玛瑙球，密封后用行星式球磨机球磨18－24小时，转速为每分钟350－450转；球磨后的糊状物在真空干燥箱中干燥，减压至0.1标准大气压以下，干燥温度为80－90℃，干燥12－18小时后得到纳米级硅粉末；

（2）按硅、碳摩尔比为1:1.5－1:2.5称取纳米级的硅粉末和活性碳粉末，加入玛瑙研钵中，充分研磨使纳米级的硅粉末与活性碳粉末充分混合；将混合后的粉末平铺于一只氧化铝舟中，并将其置于一台水平管式炉的氧化铝管中央，在Ar气保护下于1275－1325℃加热反应2－4小时，之后自然降至室温；在加热之前，往水平管式炉的氧化铝管中通入Ar气，Ar气的流量为400－500标准立方厘米/每分钟，时间为15－25分钟；开始加热后，Ar气的流量保持在10－20标准立方厘米/每分钟，直至系统降至室温，关闭Ar气；

b. 以碳化硅纳米线作为基体制备发光薄膜：

（1）将碳化硅纳米线加入到甲苯中，再在甲苯中加入聚苯乙烯颗粒，碳化硅纳米线，聚苯乙烯及甲苯的重量比为1 : 1－1.5 : 100－150，超声振荡20－40分钟，直至聚苯乙烯颗粒完全溶解，使得碳化硅纳米线充分分散，得到分散液；

2.根据权利要求1所述的碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，其特征是，所述碳化硅纳米线的制备中步骤（2）硅、碳摩尔比为1:2。

3.根据权利要求1所述的碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，其特征是，所述碳化硅纳米线的制备中步骤（2）加热温度为1300 ℃。

4.根据权利要求1所述的碳化硅纳米线基发光薄膜的制备方法，其特征是，所述以碳化硅纳米线作为基体制备发光薄膜中步骤（1）碳化硅纳米线、聚苯乙烯及甲苯的重量比为1 : 1－1.2 : 100。