CN105236410B - 发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，属于光电材料技术领域。本发明的主要特点是将碳化硅多晶陶瓷片表面进行抛光处理后用准分子脉冲激光聚焦到浸于去离子水中的多晶陶瓷片上，在照射过程中，三维可控平台载着烧杯缓慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不断变化，最后得到悬浮于去离子水中的直径10 nm左右的非晶碳化硅纳米颗粒,表面呈亲水性，这些保证非晶纳米颗粒可以较稳定地悬浮于去离子水中而不至于沉降,这种非晶碳化硅纳米颗粒强而稳定的蓝光发射，在光电领域、乃至生物医学领域有较好的应用前景。

Description

发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法

技术领域

本发明涉及一种发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，使用本方法制备的非晶碳化硅纳米颗粒的直径在10 nm左右，并且有强度高、稳定的蓝光发射，属于光电材料技术领域。

背景技术

非晶碳化硅SiC纳米材料，由于其独特的形貌与电子结构而呈现出一系列独特的性质。非晶SiC的电子结构与晶化的SiC纳米材料的完全不同，非晶SiC的相关物理性质在一定程度上具有可调性。现在研究较多的是非晶SiC薄膜，其在电子及光电领域，如太阳能电池、发光二极管、颜色传感器、高温工程材料及大面积电致发光装置中应用前景广阔，因而近年来对非晶SiC薄膜的研究较多。人们利用等离子体增强化学气相沉积，热丝化学气相沉积，电子回旋共振化学气相沉积，激光化学气相沉积，和射频溅射等技术成功制备了非晶SiC薄膜，并研究了其结构与形貌特性、发光性质等。

然而，迄今为止对非晶SiC超细颗粒的研究报道极少。我们仅发现在2008年Lin等在Nnaotechnology上报道了在低温和低压等离子反应器中制备直径小于10 nm的非晶SiC纳米颗粒。他们利用微波等离子体诱导分解的四甲基硅烷，在气相、流动的环境中，可在反应区的尾部成功收集了非晶SiC纳米颗粒。这样制备出的纳米颗粒尺寸小于10 nm，改变反应条件，可以实现对纳米颗粒大小的微调，这种方法的不足之处是制备工艺过于复杂。综上所述，目前在非晶碳化硅纳米颗粒的制备上，还没有一种相对简单的制备工艺，同时，也没有对其光电性质的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，解决现有在低温和低压等离子反应器中利用微波等离子体诱导分解的四甲基硅烷，在气相、流动的环境中制备直径小于10 nm的非晶SiC纳米颗粒存在的制备工艺过于复杂的不足，通过本发明实现制备的非晶碳化硅纳米颗粒直径在10 nm左右、且具有较强而稳定的蓝光发射。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

(1) 立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片表面处理：将用于激光烧蚀的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的表面用砂纸进行打磨，抛光，获得光滑的表面。然后依次在无水乙醇，丙酮，去离子水超声中超声，干燥后备用。

(2) 激光烧蚀制备非晶碳化硅纳米颗粒：将准备好的3C-SiC多晶陶瓷片放在烧杯中，光滑的表面向上。在烧杯中加入去离子水，液面高出多晶陶瓷片的上表面8－10 mm。烧杯放在三维可控平台上，可使之上下、左右、前后移动。用波长248 nm的准分子脉冲激光为激光光源，强度为300-350 mJ/Pulse。将激光聚焦到浸于去离子水中的多晶陶瓷片上。照射时间为45-60分钟，在整个过程中，三维可控平台载着烧杯缓慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不断变化。最后得到悬浮于去离子水中的非晶碳化硅纳米颗粒。

有益效果

本发明采用的制备工艺，以碳化硅多晶陶瓷片为原材料，制备非晶碳化硅纳米颗粒，这在“从上而下”的制备纳米颗粒的方法。这与以前报道的“从下而上”的非晶碳化硅薄膜、纳米颗粒的制备方法相比，不需要真空、高温等严苛条件的反应腔体，这样使制备工艺大大简化。在制备前，将碳化硅多晶陶瓷片表面进行抛光处理，可以使反射的激光能量增加，保证非晶碳化硅颗粒的形成。用本发明的工艺制备的非晶碳化硅纳米颗粒的直径足够小，表面呈亲水性，这些保证非晶纳米颗粒可以较稳定地悬浮于去离子水中而不至于沉降。这种非晶碳化硅纳米颗粒强而稳定的蓝光发射，在光电领域、乃至生物医学领域有较好的应用前景。

附图说明

图1 (a)为本发明的样品的透射电子显微照片；图中显示的絮状物由球形纳米颗粒组成，这些球形纳米颗粒的直径在10 nm左右；图1 (b)显示的是在去离子水中分散较好的纳米颗粒，这些纳米颗粒都近似球形，直径为10 nm 左右；(a)和(b)照片对比度明显较低，说明纳米颗粒是非晶态。图1 (b)中的插图是一个纳米颗粒的高分辨率透射电镜图，其直径为9.0 nm，从图上看不到晶格条纹，可见纳米颗粒未结晶，为非晶纳米颗粒；图1 (a)中的插图是电子衍射图，也说明纳米颗粒是非晶态；透射电镜照片的低对比度，高分辨率透射电镜图上面没有晶格条纹，电子衍射图上面没有发现衍射点，这些都说明纳米颗粒是非晶态的；图1表明本发明工艺得到的样品为直径10 nm左右的非晶碳化硅纳米颗粒。

图2为 本发明制备的非晶碳化硅纳米颗粒在320 nm的紫外光的激发下的光致发光谱，在激发光照射下，样品的发光强度较大，发光肉眼可见，样品的发光峰位于约430 nm。

具体实施方式

本发明涉及的原料为立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片，厚度为2-4 mm，直径2.0cm以上。清洗所用无水乙醇、丙酮为分析纯。所用激光器为COMPexPro201型准分子脉冲脉冲激光器。

首先对立方相碳化硅多晶陶瓷片进行表面处理，将多晶陶瓷片的表面依次用粗、细砂纸进行打磨，抛光，使陶瓷片的表面光滑。然后清洗陶瓷片，去除附于其表面的有机、无机杂质。将陶瓷片依次在无水乙醇，丙酮中超声清洗5－10分钟，用氮气流吹干，最后再次置于去离子水超声5－10分钟，用氮气流或电吹风吹干后备用。将准备好的碳化硅多晶陶瓷片放在烧杯中，光滑的表面向上。在烧杯中加入去离子水，液面高出多晶陶瓷片的上表面8－10 mm。烧杯放在三维可控平台上，可使之上下、左右、前后移动。用波长248 nm的准分子脉冲激光为激光光源，强度为300-350 mJ/Pulse，脉冲宽度10 ns，重复频率10 Hz。出射激光束横截面长度为24 mm，宽度为10 mm。激光经三棱镜反射，经过一焦距为500 mm的透镜聚焦，调节三维可控平台，使位于其上的烧杯上下移动，保证激光聚焦到3C－SiC陶瓷片表面时，光斑宽度约为1 mm。使激光聚焦到浸于去离子水中的多晶陶瓷片上。照射时间为45-60分钟，在整个过程中，三维可控平台载着烧杯缓慢平移，使激光不至于在制备过程中一直照射于陶瓷片的固定地点而损坏陶瓷片，移动范围保证激光束始终能照射到陶瓷片上。最后取走陶瓷片，就可以得到悬浮于去离子水中的非晶碳化硅纳米颗粒。

通过透射电子显微镜观测，发现本发明工艺制备的纳米颗粒为圆球形，直径约为10 nm(如图1所示)。透射电镜照片的对比度较低，在纳米颗粒的高分辨率透射电镜照片上没有看到晶格条纹，电子衍射照片上也没有发现衍射点(如图1所示)，这些都说明纳米颗粒是非晶态的。通过样品紫外－可见吸收谱的测试分析，发现制备的纳米颗粒的直接带隙与间接带隙能量值分别为5.4 eV、2.2 eV，这与SiC的直接带隙值(5.3 eV)与间接带隙值(2.4eV)一致，由此可以证实样品中的纳米颗粒为SiC。通过红外光谱测试，发现红外吸收谱中有明显的Si-C键伸缩振动模，进一步证实非晶纳米颗粒的成份是SiC，红外吸收谱中的Si-H、C-O等振动模也表明非晶SiC纳米颗粒是亲水性的。

本发明制备的非晶碳化硅纳米颗粒，受到波长为320 nm的紫外光激发时，有强而稳定的蓝光发射，说明非晶碳化硅纳米颗粒在光电、生物领域都具有较好的应用前景。

Claims (1)

1.一种发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述方法包括以下步骤：

(1) 立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片表面处理：将用于激光烧蚀的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的表面用砂纸进行打磨、抛光获得光滑的表面，然后依次清洗5－10分钟，吹干后经去离子水超声5－10分钟，再干燥后备用；

(2) 激光烧蚀制备非晶碳化硅纳米颗粒：将干燥后备用的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片放在烧杯中，光滑的表面向上；在烧杯中加入去离子水，液面高出立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的上表面8－10 mm；烧杯放在三维可控平台上，可使之上下、左右、前后移动；用波长为248 nm，强度为300-350 mJ/Pulse，脉冲宽度10 ns，重复频率10 Hz的准分子脉冲激光为激光光源，将激光聚焦到浸于去离子水中的多晶陶瓷片上，在照射过程中，三维可控平台载着烧杯缓慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不断变化，经45-60分钟的照射，

最后得到悬浮于去离子水中的直径10 nm左右的非晶碳化硅纳米颗粒。