非晶纳米线及纳米晶粒的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种Si02非晶纳米线及纳米晶粒及其制备的方法，属于低维纳米材料制备的技术领域。
【背景技术】
[0002]S12是一种具有良好电绝缘性的材料，具有优异的光学透明性，作为重要的光致发光材料和波导材料一直以来备受关注。S12纳米颗粒是一种精细化工产品，在建筑、化工、医药、航空航天特制品以及光学器件上都有重要应用。近年来，一维纳米结构因其具有独特的光、电、磁和光催化等物理和化学性质，吸引了大家的研究热情。S12纳米线是一种新型的一维纳米材料，卓越的体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，使其不仅具有普通二氧化硅的性质，而且具备纳米粒子所特有的性质，在橡胶、塑料、纤维、涂料、光化学和生物医学等领域都具有广泛的应用前景。由此，开发S12纳米颗粒和纳米线这种S12低维纳米材料新的合成方法，进而开发其物理化学性能具有重大意义。
[0003]目前制备纳米S12的方法主要有干法和湿法。干法包括气相法和电弧法;湿法有沉淀法、溶胶凝胶法和水热合成法等。比较而言，气相法制备的产品具有粒径分布均匀、纯度高、性能好等优点，是工业上常用的方法，但其制备过程中能耗大，成本高一直是工业生产领域亟待解决的难题。
[0004]人们常用的气相法中，有些需要通入SiH2,或SiCl4等气体作为原材料这些气体通常具有毒性，不仅对环境有污染，而且对操作者的身心健康存在负面影响，此外在精确控制原材料气体的混合比例及流量时需要采用昂贵的精密设备仪器，导致成本过高;为保证气-液-固生长过程的顺利进行，在气相法生长过程中也有一些需要引入价格昂贵的金属催化剂(比如Au)，这可能在生长的Si纳米线中形成深能级杂质，而且实验装备昂贵，生产成本高；另外还有一些科研工作者使用气相法制备纳米S12时需要使用Si片作为沉积衬底，同时又作为反映原材料，此方法虽然降低了生产成本，但产品沉积方式略为单一，限制了其在更广泛领域的应用。
【发明内容】
[0005]发明目的:
[0006]为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种成本低廉、安全环保、沉积过程简易、结构排布有序的S12非晶纳米线及纳米晶粒材料及其制备方法。
[0007]技术方案:
[0008]本发明是通过以下技术方案实施的:
[0009]—种Si02非晶纳米线及纳米晶粒材料的制备方法，其特征在于:该方法步骤如下:
[0010]步骤一、将Si粉和S粉充分研磨并混合均匀作为反应源，放入石英管一端；
[0011]步骤二、将使用的衬底基片清洗干净，沿着石英管在距离反应源10-20cm处放置衬底，把装有反应源和衬底的石英管放入管式炉内，通入保护气体Ar;
[0012]步骤三、炉子升温至使反应源温度达到反应温度，衬底温度达到沉积温度，保温1.5-2hrs，至反应结束；
[0013]步骤四、反应结束后取出石英管并降至室温，即在衬底上有序生长出白色絮状S12非晶纳米线及纳米晶粒。
[0014]所述Si粉和S粉按照质量比1:1的比例充分研磨混合均匀后作为反应源。
[0015]所述石英管为一端开口或两端均开口；一端开口石英管应把反应源放在封闭一端，两端开口的石英管把反应源放在开口处，沿着石英管在距离反应源10-20cm处放置衬底。
[0016]所述的衬底为Si片或石英片。
[0017]步骤三中反应温度为1000-1100°C，沉积温度稳定在950-970°C或1050-1070°C。
[0018]步骤二中保护气体的流量为20_50sccm。
[0019]反应时间为1.5-2hrs，反应完毕即关闭Ar，取出石英管，降温过程的物理环境为室温，大气条件下。
[0020]制备的S12非晶纳米线直径为100-500nm，长度达到20μπι以上，纳米线的形貌和结构在衬底上有序排布，随沉积温度升高，纳米线长度越来越短，最短达到200nm;同时，在衬底上非晶纳米线长度为1.5-3μηι的沉积区域沉积了尺寸为200_500nm的纳米晶粒。
[0021]优点效果:
[0022]1、本发明所述方法不需要金属或金属化合物作为催化剂，所得产物不会引入深能级杂质，具有很尚的纯度。
[0023]2、本发明所述方法沉积过程简易，即可实现硅片上原位生长，又可使用其他衬底材料，便于兼容各种集成工艺。
[0024]3、本发明所述控制S12非晶纳米线及纳米晶粒生长的方法产量高，成本低，操作简单，安全环保。
[0025]4、本发明实现了 S12非晶纳米线及纳米晶粒的有序生长，在微电子工艺和光学等领域有很重要的应用前景。
【附图说明】
[0026]图1是不同长度的Si(M_晶纳米线的SEM图。其中，图1(a)为长度>20μπι的5池非晶纳米线；图1(b)为长度在2μηι的Si02非晶纳米线；图1(c)为长度<500nm的非晶纳米线。
[0027]图2是S12纳米晶粒的SEM图。
[0028]图3是S12非晶纳米线的EDX能谱图，其中O原子和Si原子比为70%:30%。
[0029]图4是S12非晶纳米线和纳米晶粒样品的XRD图。
[0030]图5是S12非晶纳米线和纳米晶粒样品的光致发光图谱。
【具体实施方式】
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[0031]本发明采用管式炉装置，无需金属催化剂，是将Si粉和S粉混合后置于充有流动保护气体的管式炉反应腔中，在1000-1100°c反应1.5-2hrs，衬底放在管式炉腔的低温区用以收集产品。衬底要先用丙酮超声，并用去离子水清洗。制备纳米线和纳米晶粒时要求保护气体流量控制在20-50sCCm。纳米线的尺寸和纳米晶粒的生长位置由衬底所在区域和沉积温度控制。
[0032]本发明所述的Si02非晶纳米线及纳米晶粒材料的制备方法，其步骤如下:
[0033]步骤一、将Si粉和S粉用研钵充分研磨并混合均匀作为反应源，放入石英管一端
[0034]步骤二、将使用的衬底基片清洗干净，沿着石英管在距离反应源10-20cm处放置衬底，把装有反应源和衬底的石英管放入管式炉内，通入保护气体Ar。
[0035]步骤三、打开管式炉的升温组件，炉子升温至使反应源温度达到反应温度，衬底温度达到沉积温度，保温1.5-2hrs，至反应结束。
[0036]步骤四、反应结束后取出石英管并降至室温，即在衬底上有序生长出白色絮状S12非晶纳米线及纳米晶粒。
[0037]所述Si粉和S粉按照质量比1:1的比例充分研磨混合均匀后作为反应源。确保反应充分进行。
[0038]所述石英管为一端开口或两端均开口；一端开口石英管应把反应源放在封闭一端，两端开口的石英管把反应源放在开口处，沿着石英管在距离反应源10-20cm处放置衬底。这样保证了载气在反应腔体内部流动方向，又使衬底处于样品生长所需温度局域范围内，有助于样品的顺利生长。
[0039]所述的衬底为Si片或石英片，或其他耐高温基片。可兼容微电子器件工艺，扩大应用背景。
[0040]步骤三中反应温度为1000-1100°C，沉积温度稳定在950-970°C或1050-1070°C。
[0041]步骤二中保护气体的流量为20-50sCCm。这样即可以避免流量过大造成浪费，又能够确保样品的顺利生长。
[0042]反应时间为1.5_2hrs，反应完毕即关闭Ar，取出石英管，降温过程的物理环境为室温，大气条件下，不会对纳米线生长造成影响。
[0043]制备的S12非晶纳米线直径为100-500nm，长度达到20μπι以上，纳米线的形貌和结构在衬底上有序排布，随沉积温度升高，纳米线长度越来越短，最短达到200nm;同时，