CN1286123C - 非晶SiO2包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，(一)取一定量的原料Si粉和SiO₂粉进行球磨处理：(二)然后取经球磨处理并烘干的Si粉和SiO₂粉，按Si∶SiO₂＝1∶1.2～1.5放入玛瑙研钵中研磨，使其充分混合；(三)对C/C复合材料基片进行加催化剂处理，并将经研磨混合后的Si粉和SiO₂粉混合粉体、C/C复合材料基片及碳布放入石墨反应室中；(四)再将此石墨反应室放入石墨加热体的立式真空炉中；(五)将炉温升至900～1000℃，抽真空使炉内压力为53.3KPa；(六)再将炉温升至1200～1300℃时，通C₃H₆气体5～10分钟后，再保温10～20分钟，关电源自然冷却至室温。由于采用了气相化学反应法，所以合成工艺简单，合成所需温度较低，并有利于规模化生产。

Description

非晶SiO2包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法

技术领域：

本发明涉及一种非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，可以合成出具有良好性能的半导体SiC为核，以绝缘体SiO₂为壳的同轴纳米电缆。

背景技术：

同轴纳米电缆是指芯部为半导体或导体的纳米线，外层包覆异质壳体，外部壳体和芯部纳米线是同轴的。由于这类材料所具有的独特的性能，丰富的科学内涵，广泛的应用前景以及在未来纳米结构器件中占有的战略地位。因此，研究人员提出了下述如何获得同轴纳米电缆的方法。电弧放电法：1997年法国科学家Colliex提出的，并以此法获得了三明治几何结构的C-BN-C纳米管[发表在Suenaga K.，Colliex C.，Demoncy N.，Loiseau A.，Pascard H.Science 278(1997)653.]。反应激光蒸发法：1998年8月日本NEC公司S.Iijima研究组提出，可以合成出直径为几十纳米，长度达50微米的多元素组分的同轴纳米电缆[发表在Zhang Y.，Suenaga K.，Colliex C.，Iijima S.Science 281(1998)973]。利用基于VLS生长机制的化学气相沉积法：2002年Lieber课题组利用此法合成出径向同轴异质纳米结构，先后得到：1、先将硅烷分解并在催化剂的作用下制备出Si纳米线，然后通入乙硼烷得到搀杂的p-型Si的外壳层，从而得到同质核壳结构。2、先将锗烷在Au纳米颗粒催化下合成出晶体锗纳米线，随后使硼搀杂的p-型Si壳通过异质CVD法生长在锗纳米线外。3、得到了Si核Ge壳异质连接的一维纳米结构和核壳多层结构：p-Si/i-Ge/SiOx/p-Ge，并用该同轴多层结构制造出纳米线场效应晶体管，该晶体管表现出良好性能[Lauhon L.J.，Gudiksen M.S.，Wang D.，LieberC.M.Nature，420(2002)57]。

被称为第三代宽带隙半导体材料的SiC具有许多优良的性能。例如高的禁带宽度，高的击穿临界场强、高的电子饱和速度和热导率、小的介电常数、较高的电子迁移率及高的抗辐射能力。此外，还具有良好的机械性能和化学稳定性，例如高的强度和硬度、低的密度、极好的抗氧化能力和抗腐蚀能力、低的热膨胀系数和高的热传导能力。近年来，SiC一维纳米材料的合成已引起了人们的广泛关注。研究结果显示，SiC纳米线或纳米棒显示出更加优良的特性。因此可以预见，纳米尺度一维SiC材料可以用于制造高频、大功率、耐高温和抗辐射等恶劣环境下工作的纳米电子和光电子器件。此外，一维SiC纳米材料所表现出的电场发射特性也是一种非常有实际应用价值的特性。如果能够实现以具有良好性能的半导体SiC为核，以绝缘体SiO₂为壳的同轴纳米电缆，将会为SiC一维纳米材料的应用奠定良好的基础。中科院固体物理所张立德研究组用溶胶-凝胶与碳热还原法在1800℃度下成功合成出带有非晶SiO₂包覆层的β-SiC同轴纳米电缆[Meng G.W.，Zhang L.D.，Mo C.M.，Zhang S.Y.，QinY.，Feng S.P.，Li H.J.J.Mater.Res.13(1998)2533]。但现有合成同轴纳米电缆的方法仍存在着一些不足，例如：需要很高的合成温度(1800℃)或合成过程比较复杂等；合成出的产物的量都比较少，不适于未来规模化生产，同时也限制了人们对SiC同轴纳米电缆新颖特性和可能的应用研究。

发明内容：

为避免现有技术的缺陷，本发明提出了一种非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，可以在较低的温度下合成出具有良好性能的半导体SiC为核，以绝缘体SiO₂为壳的同轴纳米电缆。

本发明的技术方案是：一种非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，其特征在于：

一)取一定量的原料Si粉和SiO₂粉，分别置于不同树脂球磨罐中进行46～50小时的球磨处理，然后分别加入去离子水及适量乙醇于球磨处理后的Si粉和SiO₂粉中，超声振荡20～40分钟，静置24～36小时，取上悬浮液放于80～100℃的烘箱中烘干；

二)取经球磨处理并烘干的Si粉和SiO₂粉，按一定的摩尔比放入玛瑙研钵中研磨，使其充分混合；

三)将C/C复合材料基片磨平并于超声波清洗机中清洗烘干后，浸入预先配制的摩尔浓度为0.01mol的Fe(NO₃)₃或NiNO₃乙醇溶液中，超声振荡5分钟后取出，并于大气中晾干；将经研磨混合后的Si粉和SiO₂粉混合粉体、C/C复合材料基片及碳布放入石墨反应室中，Si粉和SiO₂粉混合粉体放置在上方，C/C复合材料基片放于Si粉和SiO₂粉混合粉体的下方并用两层碳布将Si粉和SiO₂粉混合粉体与碳布隔开；

四)将炉温升至900～1000℃，抽真空使炉内压力为53.3KPa；

五)再将炉温升至1200～1300℃后，通C₃H₆气体5～10分钟，再保温10～20分钟，关电源自然冷却至室温。

所述的球磨处理前，原料Si粉纯度为99.5％，原料SiO₂粉为光谱纯。

所述研磨时，Si粉和SiO₂粉的摩尔比为Si∶SiO₂＝1∶1.2～1.5。

本发明相比现有技术的优点在于：由于采用了气相化学反应法，所以合成工艺简单，而且省去了预先合成过程；合成温度较低，并且合成的同轴纳米电缆的量相对较大，使该发明具有发展成大规模工业化生产的潜力。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为带有非晶SiO₂包覆的β-SiC同轴纳米电缆的扫描电镜照片。

图2(a)为带非晶SiO₂包覆层的β-SiC同轴纳米电缆的透射电镜照片。

图2(b)为电子束入射方向为<022>的选区电子衍射照片。

图3为C/C复合材料基片上带有非晶SiO₂包覆层的β-SiC同轴纳米电缆的X-Ray衍射图。

图4为带有非晶SiO₂包覆层的β-SiC同轴纳米电缆的红外吸收谱图。

具体实施方式：

一、选用市售纯度为99.5％的Si粉、光谱纯SiO₂粉及C₃H₆气体为原料。首先对Si粉和SiO₂粉进行球磨处理，球磨是在行星式球磨机上进行。

其工艺如下：分别称Si粉和SiO₂粉各25g，置于不同的树脂球磨罐中；

同时，按附表分别取不同数量不同直径的玛瑙球放于球磨罐中，随后加入适量乙醇作为球磨剂，将球磨罐放于球磨机上并夹紧。打开球磨机，先以130转/分钟的较慢转速球磨2小时，然后，将转速调至200转/分钟，球磨23小时后再反方向旋转球磨23小时，共计球磨48小时。将球磨后的Si粉和SiO₂粉取出分别放入1000ml的大烧杯中，加入去离子水及适量乙醇至1000ml，超声振荡30分钟后，静置24小时。取上悬浮液放于加热至90℃的烘干箱中烘干备用。

附表：玛瑙球的直径及数量

直径	25	12	7	2
					数量	2	5	24	50

二、称取经球磨烘干后的Si粉和SiO₂粉。按Si∶SiO₂＝1∶1.35的摩尔比进行混合，放入玛瑙研钵中研磨30分钟使其充分混合；选用C/C复合材料为基片并进行加催化剂处理。其主要过程如下：首先将C/C复合材料用600目、800目及1000目的砂纸磨平并于超声波清洗机中清洗烘干，然后将清洗后的C/C复合材料基片浸入预先配制的摩尔浓度为0.01mol/L的Fe(NO₃)₃或Ni(NO₃)₂乙醇溶液中，超声振荡5分钟后取出，并于大气中晾干；将Si和SiO₂粉的混合粉体、基片及碳布放入石墨反应室中，混合粉体放置在上方，基片放于混合粉体的下方并用多层碳布将混合粉体与碳布隔开。

三、将石墨反应室放入石墨加热体的立式真空炉中。抽真空30分钟后，静置30分钟，观察真空表指示是否变化。如无变化，说明系统密封完好。通氩气至常压后再抽真空，此过程重复三次。随后将炉温升至1000℃，抽真空使炉内压力保持在53.3KPa，随后继续升温。当炉温升至1250℃时，通入C₃H₆气体，气流量为80ml/min，通气时间为7分钟。停止通C₃H₆后继续保温20分钟，关电源自然冷却至室温。开炉后在基片上可看到有较厚一层产物即为非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆。

参照图1，扫描电镜照片表明同轴纳米电缆的直径大约为20～70nm，长度大约几十个微米。参照图2(a)，透射电镜照片可以清楚地看到所得到的纳米线有明显的核壳双层径向异质结构，芯部是晶体，外层是非晶体，该非晶体层具有十几个纳米的较为均匀的厚度。选区电子衍射图2(b)也证实了这一点。在衍射花样中，即有非晶衍射环，又有单晶体的衍射斑点，并且衍射斑点可以用电子束入射方向为[022]的立方β-SiC单晶标定。参照图3，从X-Ray衍射图中可以看出，除两个强的碳峰外，其他衍射峰与晶格常a＝0.4358nm的立方β-SiC相应衍射面的峰位、峰强一致，并且还可以看出有非晶背底存在，说明在这种纳米结构中，除有晶体立方β-SiC外，还有非晶硅的氧化物存在。参照图4，红外吸收谱图可以看出，在479cm^-1、788cm^-1和1100cm^-1处有三个吸收峰，位于788cm^-1的吸收峰对应于β-SiC的Si-C吸收峰；而位于479cm^-1和1100cm^-1处的吸收峰对应于SiO₂的Si-O吸收峰。上述表征结果证明，用该发明可以合成出带有非晶SiO₂包覆的SiC同轴纳米电缆。

Claims (3)

1、一种非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，其特征在于：

一)取一定量的原料Si粉和SiO₂粉，分别置于不同树脂球磨罐中进行46～50小时的球磨处理，然后分别加入去离子水及适量乙醇于球磨处理后的Si粉和SiO₂粉中，超声振荡20～40分钟，静置24～36小时，取上悬浮液放于80～100℃的烘箱中烘干；

二)取经球磨处理并烘干的Si粉和SiO₂粉，按一定的摩尔比放入玛瑙研钵中研磨，使其充分混合；

三)将C/C复合材料基片磨平并于超声波清洗机中清洗烘干后，浸入预先配制的摩尔浓度为0.01mol的Fe(NO₃)₃或NiNO₃乙醇溶液中，超声振荡5分钟后取出，并于大气中晾干；将经研磨混合后的Si粉和SiO₂粉混合粉体、C/C复合材料基片及碳布放入石墨反应室中，Si粉和SiO₂粉混合粉体放置在上方，C/C复合材料基片放于Si粉和SiO₂粉混合粉体的下方并用两层碳布将Si粉和SiO₂粉混合粉体与碳布隔开；

四)将炉温升至900～1000℃，抽真空使炉内压力为53.3KPa；

五)再将炉温升至1200～1300℃后，通C₃H₆气体5～10分钟，再保温10～20分钟，关电源自然冷却至室温。

2、根据权利要求1所述的非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，其特征在于：所述的球磨处理前，原料Si粉纯度为99.5％，原料SiO₂粉为光谱纯。

3、根据权利要求1所述的非晶SiO₂包覆SiC同轴纳米电缆的合成方法，其特征在于：所述研磨时，Si粉和SiO₂粉的摩尔比为Si∶SiO₂＝1∶1.2～1.5。

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