CN105778907B - 一种发蓝光氧化硅纳米材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发蓝光的氧化硅纳米材料的制备方法、其制备步骤包括首先在作为原材料的氧化硅的表面制备厚度为0.5nm～50nm的金属薄层、然后对沉积有金属薄层的氧化硅在硫气氛下进行热处理、热处理的温度为450℃～1030℃、最后降温得到氧化硅纳米材料。本发明制备氧化硅纳米材料的方法简单、原材料前驱体资源丰富、无毒、无害、制备过程对环境不存在不良影响。

Description

一种发蓝光氧化硅纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及氧化硅纳米材料，特别涉及一种发蓝光氧化硅纳米材料及其制备方法。
背景技术
氧化硅不仅是硅基半导体器件的基础，氧化硅纳米材料在光伏器件、染料催化降解、生物医学等方面具有重要的应用价值。纳米材料具有块体材料没有的众多特性。目前、制备氧化硅纳米材料的方法主要包括在没有金属催化剂条件下长时间高温热蒸发一氧化硅(SiO)、比如采用该方法在1300℃、反应4小时制备出氧化硅纳米线[Nanotechnology 17(2006)3215–3218]；包括溶液化学反应膜板法制备氧化硅纳米管[J.Mater.Chem.A,2(2014)7819.]等。这些制备条件比较苛刻、步骤繁杂等；同时，采用以上方法制备的氧化硅纳米材料的光学特性报道很少。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的是提供一种发蓝光的氧化硅纳米材料及其制备方法。特别地，所述的氧化硅纳米材料，其形状呈现带状、棒状或线状。由于存在氧空位(oxygen vacancy centers)、硅团簇等缺陷、所述氧化硅纳米材料具有很强的发蓝光特性。本发明制备氧化硅纳米材料的方法简单、其原材料前驱体为氧化硅、无毒、无害、制备过程对环境不存在不良影响。
为解决本发明的技术问题，采用的技术方案如下：
一种发蓝光氧化硅纳米材料，所述的氧化硅纳米材料具有蓝光发射性能，合成所述的氧化硅纳米材料的原材料为氧化硅，其制备步骤包括：
1)在作为原材料前驱体的氧化硅的表面制备厚度为0.5nm～50nm的金属薄层；
2)在硫气氛下，对沉积有金属薄层的氧化硅进行热处理。
进一步地，所述氧化硅纳米材料的化学组成为SiOx，其中0.88≤x≤2.48。
进一步地，所述氧化硅纳米材料的形状为带状、棒状、线状。
本发明还提供所述发蓝光氧化硅纳米材料的制备方法，其步骤包括：
(1)在作为原材料前驱体的氧化硅的表面制备厚度为0.5nm～50nm的金属薄层；
(2)在硫气氛下，对沉积有金属薄层的氧化硅进行热处理。
进一步地，所述的金属薄层材料选自Ti、Cr、Cu、Mo、Ru、Pt、Ni、Pd、Au、Al、Fe中的一种或合金或它们的混合物；优选的，所述的混合物为叠层结构或者共混。
进一步地，所述硫气氛的形成方法为加热硫粉产生硫蒸气。
进一步地，所述硫气氛的形成方法为往反应腔室中通入H2S。
进一步地，所述热处理的温度为450℃～1030℃。
进一步地，所述的氧化硅是氧化硅薄膜或者粉末。
本发明制备氧化硅纳米材料所需的硅原子和氧原子来自于作为原材料的氧化硅，其生长机制为在所述金属薄层材料中的金属和硫的共同催化作用下、使原材料的氧化硅分解、然后形成带状、棒状或线状的氧化硅纳米材料。缺少所述的金属或硫中的任意一种、不能形成本发明的氧化硅纳米材料。所述的原材料氧化硅可以是氧化硅薄膜或者粉末。作为原材料的氧化硅可以是氧化硅玻璃、石英或在硅片上的二氧化硅(即SiO2/Si)等。
本发明的有益效果在于：本发明制备氧化硅纳米材料的方法简单、原材料前驱体资源丰富、无毒、无害、制备过程对环境不存在不良影响。制备的氧化硅纳米材料的尺寸易控制、具有很强的蓝光发射特性、蓝光发散峰在约467nm；同时、也有紫外发射(～285nm)和红光发射(～645nm)等。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述、其中：
图1为本发明制备的氧化硅纳米材料、呈现纳米带状(nanoribbon)、也包括较短的纳米棒状、纳米线(nanowire)结构的扫描电子显微镜图像。
图2为制备的氧化硅纳米带的阴极荧光光谱(CL)。
图3(a)-(d)中的#1-#7为利用透射电子显微镜表征制备的氧化硅纳米带的硅氧原子比测量位置，(e)对应于(a)-(d)中的#1-#7的氧化硅纳米带的硅氧原子比。
具体实施方式
为了进一步理解本发明、下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述、但是应当理解、这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点、而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1.在Si/SiO2上制备氧化硅纳米材料、包括以下基本步骤：
(1)在Si/SiO2上制备厚度为5nm的Ti薄膜、形成Si/SiO2/Ti结构；
(2)将Si/SiO2/Ti放置于反应腔室、对反应腔室抽真空；
(3)往反应腔室通入H2S气体、在450℃时处理Si/SiO2/Ti约20分钟、然后降温得到氧化硅纳米材料。制备出的氧化硅纳米带的扫描电镜图如图1(a)和透射电子显微镜图3(a)所示。
实施例2.在Si/SiO2上制备氧化硅纳米材料：
类似于实施例1的步骤、可以将将金属Ti膜换成其他金属、如Cr、Cu、Mo、Ru、Pt、Ni、Pd、Au、Al或Fe，金属膜的厚度在0.5nm～50nm范围内、处理温度在450℃～1030℃都可以得到氧化硅纳米材料。如图1(b)是对Si/SiO2/Cr(25nm)经历950℃热处理40分钟后得到到氧化硅纳米材料的扫描电镜图。
实施例3.在玻璃上制备氧化硅纳米材料、包括以下基本步骤：
(1)在玻璃上制备厚度为10nm的Au薄膜、形成玻璃/Au结构；
(2)将玻璃/Au放置于反应腔室、对反应腔室抽真空；
(3)往反应腔室通入H2S气体、在700℃时处理S玻璃/Au约80分钟、然后降温得到氧化硅纳米材料。制备出的氧化硅纳米带的扫描电镜图如图1(c)和透射电子显微镜图3(b)所示。
类似地、可以将金属Au膜换成其他金属、如Ti,Cr,Cu,Mo,Ru,Pt,Ni,Pd,Al或Fe、金属膜的厚度在0.5nm～50nm范围内、处理温度在450℃～1030℃都可以得到氧化硅纳米材料。
类似地、可以将玻璃换成石英。对石英/Pt(40nm)在1030℃时处理100分钟后的扫描电镜图如图1(d)和透射电子显微镜图3(c)所示。
实施例4.在Si/SiO2上制备氧化硅纳米材料、包括以下基本步骤：
(1)在Si/SiO2上制备厚度为25nm的Cr薄膜、形成Si/SiO2/Cr结构；
(2)将Si/SiO2/Cr放置于反应腔室、将硫粉也放置于同一反应腔室、对反应腔室抽真空；
(3)对硫粉加热、形成硫蒸气；同时在950℃时处理Si/SiO2/Cr约40分钟、然后降温得到氧化硅纳米材料。制备出的氧化硅纳米带的扫描电镜图如图1(e)和透射电子显微镜图3(d)所示。
类似地、可以将金属Cr膜换成其他金属、如Ti,Cu,Mo,Ru,Pt,Ni,Pd,Au,Al或Fe、金属膜的厚度在0.5nm～50nm范围内、处理温度在450℃～1030℃都可以得到氧化硅纳米材料。
类似地、可以将Si/SiO2换成石英或玻璃、都可以制备出氧化硅纳米材料。
所制备的氧化硅纳米材料的典型的阴极荧光光谱如图2所示。

Claims (9)

1.一种发蓝光氧化硅纳米材料的制备方法，其步骤包括：
（1）在作为原材料前驱体的氧化硅的表面制备厚度为0.5 nm～50 nm的金属薄层；
（2）在硫气氛下，对沉积有金属薄层的氧化硅进行热处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的金属薄层材料选自Ti、Cr、Cu、Mo、Ru、Pt、Ni、Pd、Au、Al、Fe中的一种或合金或它们的混合物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的混合物为叠层结构或者共混。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述硫气氛的形成方法为加热硫粉产生硫蒸气。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述硫气氛的形成方法为往反应腔室中通入H2S。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述热处理的温度为450℃～1030℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的氧化硅是氧化硅薄膜或者粉末。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于：所述氧化硅纳米材料的化学组成为SiOx，其中0.88≤x≤2.48。
9.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于：所述氧化硅纳米材料的形状为带状、棒状、线状。
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