专利名称：用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤维的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的SiC纳米纤维的合成方法，具体地说， 是一种用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤维的方法。
背景技术：
SiC纳米纤维，作为一种宽禁带半导体材料，由于具有高机械强度，高热传导性，以及优异的场发射等性能，使得其在高温、高频、超硬材料增强剂等恶劣 环境下显示出良好的应用潜能，被普遍认为是一种极具发展潜力的半导体材料。目前，人们对于一维纳米SiC纳米纤维的合成制备已经进行了大量的实验。到目 前为止，其合成方法主要有VLS法、纳米碳管限制生长法、碳分解还原法等等。 但这些方法大多数得到少量的纳米SiC纳米纤维材料， 一般供物理表征、纳米级应用等实验室研究方面。得到的样品直径一般在几十个纳米到几百个纳米之间， 表面存在较厚的氧化层以及较多的层错，而且工艺复杂，制备温度较高(一般高于1400度)。为了能比较容易的和当前成熟的集成电路工艺相兼容，使得其纳电 子器件中得以广泛应用，需要制备出宏观量的高质量SiC纳米纤维，这样才会为 今后的工业化应用提供前提。经对现有技术的文献检索发现，S. T. Lee等在《Advanced Materials》(《先 进材料》)2000年第12期第1186-1190页上发表的"Oriented silicon carbide nanowires: synthesis and field emission properties"(定向排列SiC纟内米 纤维的制备与场发射性能)，该文中提出一种利用有序排列的定向碳纳米管为模板合成SiC纳米纤维阵列的方法，其不足在于产品远远没有达到宏观量级，制备程序复杂，且制备出的SiC纳米纤维直径较粗(10-40 nm)，且受纳米碳管直 经限制，并且缺陷较多。这样就为将来的产量化应用设置了障碍。进一歩检索中， 尚未发现合成出宏观量(数十克级)的单晶SiC纳米纤维的报道。 发明内容本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤维的方法。本发明解决了目前制备SiC纳米纤维产量较少， 不能够通过直接反应来达到宏观量生产的问题，可以简单易行的在较低温度下利 用硅粉和硫化锌粉末直接大规模合成出宏观量晶体SiC纳米纤维。所合成出的 SiC纳米纤维结晶良好，表面光滑，氧化层薄，缺陷少，直径小且分布均匀(平 均直径10-30咖)。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用单晶硅粉末作为反应硅源， 以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载 气，将硅粉与ZnS粉末在陶瓷舟容器中均匀混合后进行氧化还原反应，从而在陶 瓷舟中合成出宏观量级的SiC纳米纤维。本发明包括如下步骤第一歩，将单晶硅粉末与ZnS粉末在陶瓷舟内均匀混合，碳材料被固定在石 英管内侧；第二步，首先升温到90(TC，之后升温到反应温度IIO(TC，在温度达到250 "C时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度IIO(TC下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完 后将反应产物取出，在陶瓷舟内得到宏观量级的晶体SiC纳米纤维。第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，将装有ZnS粉末及单品硅粉末的 陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管的内侧。第二步中，所述的升温，升温到90(rC的升温速率为25TVmin，而升温到反 应温度1100。C的升温速率为15°C/min。第二歩中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为5-30 1/h。第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-4小时。本发明通过调整单晶硅粉术与ZnS粉末的质量和反应时间，来控制形成晶体 SiC纳米纤维的产量。单晶硅粉末与ZnS粉末多，反应周期长，可以增加SiC纳 米纤维的产量， 一般原反应物10-20g可以生成大概l-2g纯SiC纳米纤维，产率 约为10%。加入惰性保护气体氩气的目的主要是把CO气体带到硅粉表面并与之 反应。加入ZnS粉末是为SiC的成核提供更多机会，提高SiC纳米纤维的的产量。 本发明工艺简单易行，原料采用便宜而应用广泛的硅粉(可以直接将单晶硅片磨 碎)、碳材料和ZnS粉末，可以方便地通过简易管式炉设备在陶瓷舟内合成出宏观量级、高质量的SiC纳米纤维。如果扩大生产规模，SiC纳米纤维可以达到工 业化生产级(如公斤级)的产量。本发明采用硅粉作为反应硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助 剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，原料简单易得，成本低廉，对环境无污 染；采用惰性气体保护，无明显易燃危险原料，气体价格低廉；设备工艺简单， 所制备出的样品产量高、质量好。而且本发明得到的SiC纳米纤维直径小且分布 均匀，平均直径10-30nm。
图l采用本方法所制备出的SiC纳米纤维透射电镜(TEM)照片具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。本实施例采用目前常用的单晶硅粉末(可以将单晶硅片直接磨碎)作为反应 硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气 体及载气，将硅粉与ZnS粉末在陶瓷舟容器中均匀混合后在一定温度下进行氧化 还原反应，系统中残留的氧气会与硅粉颗粒发生反应并在表面生成一层氧化物， 同时也会与碳生成CO气体，当CO气体被带到硅片表面时与氧化物发生反应，从 而在陶瓷舟中合成出宏观量级的SiC纳米纤维。ZnS粉末的存在会使分解出的S 蒸气与硅颗粒发生反应生成SiS， SiS在较高温度下会升华并分解出Si和SiS" 分解出的Si再与氧气反应生成氧化物，从而为SiC的成核提供更多机会，提高 合成产物的数量。实施例1合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将10g质量比为l: l的单晶 硅粉(电阻率不限)和ZnS粉末均匀混合，置于干净的陶瓷舟中，然后将其放入 管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管内侧。先以25'C/min的速率 升温到900°C，之后以15°C/min的速率升温到反应温度ll(KTC。在温度达到250 。C时，通入气体流量为5 1/h的氩气；在反应温度IIO(TC下，保持腔内气体流 量，反应持续进行2小时，反应完后将陶瓷舟取出，在舟内得到宏观量级(大概lg)的SiC纳米纤维。 实施例2合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将20g质量比为l: l的单晶硅粉(电阻率不限)和ZnS粉末均匀混合，置于干净的陶瓷舟中，然后将其放入 管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管内侧。先以25TVmin的速率 升温到900°C，之后以15°C/min的速率升温到反应温度IIOO'C。在温度达到250 'C时，通入气体流量为16 1/h的氩气；在反应温度IIO(TC下，保持腔内气体流 量，反应持续进行4小时，反应完后将陶瓷舟取出，在舟内得到宏观量级(大概 2g)的SiC纳米纤维(见图1)。图中可以看出，在陶瓷舟内产生了 SiC纳米纤 维。此外，制备出的SiC纳米纤维基本上为单晶结构，主要生长方向为〈111〉晶 向，〈Ul〉晶向强度最大，其他的晶向强度比较弱，生长方向主要为〈111〉晶向。 实施例3合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将16g质量比为1: 1的单晶 硅粉(电阻率不限)和ZnS粉末均匀混合，置于干净的陶瓷舟中，然后将其放入 管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管内侧。先以25'C/min的速率 升温到90(TC，之后以15TVmin的速率升温到反应温度IIO(TC。在温度达到250 'C时，通入气体流量为30 1/h的氩气；在反应温度110(TC下，保持腔内气体流 量，反应持续进行3小时，反应完后将陶瓷舟取出，在舟内得到宏观量级(大概 1.6g)的晶体SiC纳米纤维。实施例4合成过程是在简易的卧式石英管式炉中进行，将12g质量比为l: l的单晶 硅粉(电阻率不限)和ZnS粉末均匀混合，置于干净的陶瓷舟中，然后将其放入 管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管内侧。先以25'C/min的速率 升温到90CTC，之后以15°C/min的速率升温到反应温度ll(KTC。在温度达到250 。C时，通入气体流量为20 1/h的氩气；在反应温度IIO(TC下，保持腔内气体流 量，反应持续进行2小时，反应完后将陶瓷舟取出，在舟内得到宏观量级(大概 1.2g)的品体SiC纳米纤维。
权利要求
1、一种用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤维的方法，其特征在于，采用硅粉末作为反应硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，将硅粉与ZnS粉末在陶瓷舟容器中均匀混合后进行氧化还原反应，从而在陶瓷舟中合成出宏观量级的SiC纳米纤维。
2. 根据权利要求1所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤 维的方法，其特征是，包括如下步骤第一步，将单晶硅粉与ZnS粉末混合，碳材料被固定在石英管内侧； 第二步，首先升温到90(TC，之后升温到反应温度IIO(TC，在温度达到250。C时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度IIO(TC下，保持腔内气体流量，反应持续进行，反应完后将反应产物取出，在陶瓷舟中合成出宏观量级的SiC纳米纤维。
3. 根据权利要求2所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤 维的方法，其特征是，第一歩中，反应在卧式石英管式炉中进行，将装有ZnS 粉末及单晶硅粉的陶瓷舟置于管式炉中央，同时把碳材料通过烧结固定于石英管 内侧。
4. 根据权利要求2所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤 维的方法，其特征是，第二步中，所述的升温，升温到90(TC的升温速率为25 °C/min。
5、 根据权利要求2或4所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳 米纤维的方法，其特征是，第二歩中，所述的升温，升温到反应温度IIO(TC的 升温速率为15'C/min。
6. 根据权利要求2或4所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳 米纤维的方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为5 1/h -30 1/h。
7. 根据权利要求2所述的用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤 维的方法，其特征是，第三歩中，所述的反应持续进行，持续时间为2小时--4 小时。
全文摘要
一种用硅粉和硫化锌粉末合成宏观量晶体SiC纳米纤维的方法，属于纳米材料技术领域。本发明采用单晶硅粉末作为反应硅源，以固态碳材料为前驱体，以ZnS粉末为辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，将硅粉与ZnS粉末在陶瓷舟容器中均匀混合后进行氧化还原反应，从而在陶瓷舟中合成出宏观量级的SiC纳米纤维。本发明产量高，可以连续化操作，工艺简单易行，成本低廉，对环境无污染，采用惰性气体保护，无明显易燃危险原料，气体价格低廉。
文档编号C01B31/36GK101269812SQ20081003486
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月20日 优先权日2008年3月20日
发明者牛俊杰 申请人:上海交通大学