專利名稱：一種一維納米材料的制備方法
技術領域：
本發明屬于納米材料的制備領域，具體涉及例如Si-0-N、Si02、Si3N4和SiC等一維納米材料的制備方法。
背景技術：
納米材料，由于具有優越的機械、物理、化學性能及潛在的應用價值而備受關注。 近20年來，納米材料的制備研究取得了顯著的進展，含Si納米材料的制備以及發光性能的研究也已成為研究的熱點之一。自1991年發現一維材料納米碳管以來，碳納米管等一維納米材料，如硅納米線、 碳化硅納米纖維、氮化硅納米纖維和氧化硅納米纖維等，由于具有優越的機械、物理、化學性質及潛在應用前景而備受關注。一維納米材料又是研究電子傳輸行為、光學特性和力學性能等物理性質的尺寸和維度效應得理想系統，在構筑納米電子和光電子器件等集成線路和功能性元件中充當非常重要的角色，是當前納米材料領域的研究熱點。一維納米材料在光致發光、低維波導及光學器件納米埋層連接等方面具有重要意義，在近場光學顯微鏡和集成光學器件的連接上有望得到應用。近年來，人們應用不同的方法，如化學氣相沉積、激光刻蝕和碳輔助法等，分別制備出了多種形貌、高度定向排列的氧化硅納米線、氮化硅納米線以及碳化硅納米線等，并對這些一維納米材料的發光性能、壓電特性進行了研究。威格(Karine Saulig-ffenger) 等人在其論文"Direct synthesis of amorphous silicon dioxide nanowires and helical self-assembled nanostructures derived therefrom" (Journal of Materials Chemistry, 2003，13，3058-3061)中，利用碳輔助的原理，將氧化硅納米粉末和石墨混合加熱制備出長度為500微米，直徑為100-300nm的氧化硅納米纖維。蔣最敏(Z. Jiang)等人在其論文"Catalytic synthesis and photo luminescence of silicon oxide nanowires and nanotubes，，(Applied Physics A，2005，81，477-479)中采用 Fe-Co-Ni 合金作為催化劑制備出了長度為100微米直徑為100納米的氧化硅納米纖維。王峰(Feng Wang)等人在論文 “Temperature—controlled synthesis of Si3N4 nanomaterials via direct nitridation of Si powders" (Physica E，2010，42，2033-2035)中使用硅粉末在氮氣氛圍中高溫合成Si3N4納米纖維，具有方法簡單的特點。哈克(S. K. Hark)等人在論文 "Fabrication and Optical Properties of Erbium-Doped Silicon-Rich Silicon Oxide Nanofibers”(Journal of Physics and Chemistry C，2007，111，4083-4086)中使用氣象化學沉積的方法，利用濺射在已清洗的硅基底上的Au作為催化劑，采用40°C /min的速率快速升溫到900°C，通入一定流量的氨氣，繼續加熱至1150°C，保持一定時間自然冷卻即可得到 Si-O-N 納米纖維。張亞非(Ya-Fei Zhang)等人在論文 “SiC Nanowires Synthesized by Rapidly Heating a Mixture of SiO and Arc-Discharge Plasma Pretreated Carbon Black”(Nanoscale Research Letters，2009，4，153-156)中，使用離子弧光放電預處理過的SiO和炭黑的粉末作為起始原料，通入氬氣加熱到特定溫度范圍并維持一定時間，即可獲得亮藍色的SiC納米纖維。但是，這些制備一維納米材料的方法存在著缺陷無法利用相同的設備簡便快捷的切換，進行多種類納米纖維的大批量快速制備。
發明內容
為解決現有制備方法中工藝復雜、產量小、制備不同產物工藝差別巨大、成本高昂的問題，本發明提供一維納米材料的制備方法，只使用同一套設備，通過簡單地改變工藝參數達到大批量制備不同種類納米纖維的目的，且可以在特定的工藝參數條件下同時制備出多種納米纖維。—種一維納米材料的制備方法，具體為將高分子有機物圖形化在硅片上，然后置于氫氣與氮氣混合或氫氣與氬氣混合的氣體環境中，對氣體環境加熱，生成一維納米材料。進一步地，所述氫氣與氮氣的體積比1 5 20或氫氣與氬氣的體積比1 1 10。進一步地，以升溫速率5 20°C /min加熱到1000 1300°C，保溫1 4小時。進一步地，所述一維納米材料為Si-O-N納米纖維材料或S^2納米纖維材料或 Si3N4納米纖維材料或SiC納米纖維材料。本發明的技術效果體現在本發明僅需使用同一套設備，包括退火爐、氣體混合器、真空泵等，利用相同的簡單易得的原料，包括高分子有機物作為碳源，普通硅片表面固有的一層氧化硅薄膜作為硅和氧的來源，采用成分包括氫氣、氬氣、氮氣的氣氛，通過調節各種氣氛的比例和采用不同的升溫曲線，即可得到多種類的納米纖維。本發明中主要利用的是氣象化學沉積的原理在高溫條件下，高分子有機物會分解釋放出多種有機氣體；在高溫條件下，硅片表面的薄層氧化硅會蒸發為SiO2和SiO的蒸汽；而氣氛中各種氣體的也起著至關重要的作用，氬氣和氫氣主要作為保護氣體，防止高分子有機物熱解釋放出的氧元素與其他成分發生反應，氫氣可優先與氧元素產生反應將其消耗，氫氣還可以加速SiA和SiO蒸汽的形成，增加反應速率，氮氣可以與熱解釋放的有機氣體和Si02、SiO蒸汽產生氣象化學沉積的反應，生成所需的納米材料。綜上所述，本發明中的制備方法與現有的制備方法相比具有如下優點工藝簡單、 產量得到了提升、制備不同納米纖維時工藝調整簡單，不需要更換設備，甚至在需要的時候可以同時制備出多種不同比例的納米纖維，且成本較為低廉，適于大規模生產。制備出的納米材料除具有耐高溫、高強度、低密度、低熱膨脹系數、化學穩定等特性外，還具有特殊的熒光特性和壓電特性、在可見光范圍內具有高反射率，在超級電容行業和軍事設備的隱身材料領域中具有廣泛的應用前景。
圖1 (a)為Si-O-N納米纖維材料SEM圖片；圖1 (b)為Si-O-N納米纖維材料TEM圖片；圖2為SW2納米纖維材料SEM圖片；圖3 (a)為Si3N4納米纖維材料SEM圖片；
圖3 (b)為Si3N4納米纖維材料TEM圖片；圖4為SiC納米纖維材料SEM圖片。
具體實施例方式以下結合實施例對本發明進一步說明。實例1將SU8光刻膠通過MEMS工藝例如光刻將其圖形化在硅片上，將其置于退火爐中， 采用真空泵使其真空度滿足要求，然后采用不同流量和比例的氮氣和氫氣混合氣體、不同的升溫速率使其升溫到300°C，保溫一小時以消除各種熱應力，防止高分子有機物發生脫落，繼續升溫到不同的最高溫度，保溫不同的時間，然后在氮氣和氫氣的混合氣流中降溫至室溫，得到白色非晶的Si-O-N納米纖維，如圖1(a)和圖1(b)所示。相應的工藝參數如表 1所示，結果顯示采用工藝參數不同時，Si-O-N納米纖維的產量也不同，其中各因素中溫度的影響最大，當采用1200°C時，所得產物產量最高。表 權利要求
1.一種一維納米材料的制備方法，具體為將高分子有機物圖形化在硅片上，然后置于氫氣與氮氣混合或氫氣與氬氣混合的氣體環境中，對氣體環境加熱，生成一維納米材料。
2.根據權利要求1所述的一維納米材料的制備方法，其特征在于，所述氫氣與氮氣的體積比1:5 20或氫氣與氬氣的體積比1 :1 10。
3.根據權利要求1所述的一維納米材料的制備方法，其特征在于，以升溫速率5 200C /min加熱到1000 1300°C，保溫1 4小時。
4.根據權利要求1所述的一維納米材料的制備方法，其特征在于，所述一維納米材料為Si-O-N納米纖維材料或S^2納米纖維材料或Si3N4納米纖維材料或SiC納米纖維材料。
全文摘要
本發明提供了一種一維納米材料的制備方法，使用高分子有機物作為碳源，硅片表面的一層極薄的氧化硅作為氧和硅的來源，置于特定流量的氫氣和氮氣或者氫氣和氬氣的混合氣體環境中，按照特定的升溫曲線加熱，即可制備出多種類的線性納米材料。本發明只需使用同一套設備，調節升溫曲線和氣體流量，便可制備出的不同種類和產量的納米材料。制備出的納米材料除具有耐高溫、高強度、低密度、低熱膨脹系數、化學穩定等特性外，還具有特殊的熒光特性和壓電特性、在可見光范圍內具有高反射率，在超級電容行業和軍事設備的隱身材料領域中具有廣泛的應用前景。
文檔編號C30B29/62GK102154706SQ201110066629
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月18日 優先權日2011年3月18日
發明者習爽, 劉丹, 史鐵林, 張雷, 湯自榮 申請人:華中科技大學