一种制备氮化铝纳米线的方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备氮化铝纳米线的方法，步骤如下：先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体，混合气的流量为100-300标准毫升/分钟。最后将炉温以30-60℃/分钟升至1100～1400℃温度范围，并保温20-120分钟。最后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物即为氮化铝纳米线。本发明采用升华夹层法法制备的氮化铝纳米线，工艺简单易操作，成本低，效率高，制得的产物纯度高。
【专利说明】一种制备氮化铝纳米线的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无机材料氮化铝(AlN)的制备领域，尤其是制备氮化铝纳米线的方法。【背景技术】
[0002]氮化铝(AlN)是一个典型I1-VI型的宽带隙半导体(室温下带宽为6.2eV)，在室温下强度高，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。氮化铝的介电性能良好，在电器元件具有潜在的应用前景。最近研究表明氮化铝可应用于光电工程，包括在光学储存介面及电子基质作诱电层，以及在高的导热性下作晶片载体。同由于氮化铝压电效应的特性，氮化铝晶体的外延性伸展也用於表面声学波的探测器。而氮化铝纳米材料由于尺寸小，比表面大，量子尺寸效应十分显著，这使得纳米体系的光，热，电等物理特性与常规的块体材料不同，出现许多新奇特性。目前，合成氮化铝纳米线方法比较单一，主要采用高温化学气相沉积法。而升华夹层法(sublimation sandwichmethod, SSM)作为一种改良的升 华法，逐渐发展成为生长纳米材料的有效方法，但是利用升华夹层法制备氮化铝纳米线的方法还没有报道。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种工艺简单，成本低，效率高的制备AlN纳米线的方法。
[0004]为实现上述目的，本发明提供了一种制备氮化铝纳米线的方法，所述方法包括如下步骤:
[0005]步骤1，先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中，该圆柱形容器由高纯石墨加工而成，在所述容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为20-40厘米，底盖内壁直径为10-20厘米，在所述圆柱形容器外壁有二个宽度为10-18毫米，高度为5-10毫米的缺口 ；反应气从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体，容器盖上设计有两个直径为0.5-2厘米圆形孔洞；所述两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底；
[0006]步骤2，硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为5-20纳米的金薄膜，将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上；
[0007]步骤3，在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置，然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体，所述混合气体的为氨气与氩气的摩尔比范围为1:2至3:1之间，所述混合气的流量为100-300标准毫升/分钟，最后将炉温以30-60°C /分钟升至1100~1400°C温度范围，并保温20-120分钟；
[0008]步骤4，将所述容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物即为氮化铝纳米线。
[0009]根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤I中的原料为气相氧化铝和还原碳粉，所述石墨容器是由闻纯的石墨制成；在所述石墨容器上两通气用的缺口圆柱形容器高度为30厘米，底盖内壁直径为15厘米，在圆柱形容器外壁有二个宽度为15毫米，高度为8毫米的缺口，容器盖上设计有两个直径为I厘米圆形孔洞。
[0010]优选的，所述的步骤2中的硅衬底表面用磁控溅射法镀一层12纳米的金薄膜。
[0011]优选的，所述的步骤3中的混合气体的氨气与氩气的摩尔比范围为1:1至2:1之间。
[0012]优选的，所述的步骤3中反应气的流量为150标准毫升/分钟；并以50°C /分钟的升温速度，将容器温度升之1200~1300° C进行沉积，并保温60~90分钟。
[0013]本发明制备过程中，优选的沉积生长温度为1200~1300°C，优选的沉积时间为60~90分钟。有益效果:本发明制备过程中，所用试剂均为商业产品，无需繁琐制备。本发明采用新颖的升华夹层法制备氮化铝纳米线，工艺可控性强，易操作，成本低，制备的产物纯度高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是用本发明方法制备的氮化铝纳米线的X射线衍射(XRD)图谱；
[0015]图2是用本发明方法制备的氮化铝纳米线的扫描电镜(SEM)照片；
[0016]图3是用本发明方法制备的氮化铝纳米线的电镜能谱(TEM-EDX)图谱。
【具体实施方式】
[0017]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0018]实施例1
[0019]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为25厘米，底盖内壁直径为10厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为16毫米，高度为8毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直径为0.8厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为10纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为1:1)，混合气的流量为200标准毫升/分钟。最后将炉温以50°C /分钟升至1300°C温度范围，并保温60分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。沉积物的粉末X射线衍射分析(图1)表明沉积物物为六角晶系的纤锌矿结构的氮化铝，没有发现其它产物的衍射峰，表明产物的纯度很高。沉积物的粉末X射线衍射图谱与参照的氮化铝标准衍射卡片(N0.25-1133)相符。沉积物在扫描电镜下观察如图2，可以发现大量纳米尺度的线状产物生成。样品的X射线能谱分析(图3)表明沉积物由Al元素和N元素组成，其中Al和N的原子比为1:0.95，与标准的AlN中的Al和N的原子比接近。X射线能谱分析中出现的碳元素来源于TEM测试中微栅上的碳膜。这些沉积物的测试结果表明沉积物为高纯的氮化铝纳米线。
[0020]实施例2
[0021]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为20厘米，底盖内壁直径为12厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为15毫米，高度为10毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直径为I厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为15纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为2:1)，混合气的流量为300标准毫升/分钟。最后将炉温以60°C /分钟升至1200°C温度范围，并保温90分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。产物的晶体结构、形貌和成分等特性均与实施例1相同。
[0022]实施例3
[0023]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为25厘米，底盖内壁直径为20厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为10毫米，高度为10毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直径为0.5厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为20纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为2:3)，混合气的流量为200标准毫升/分钟。最后将炉温以40°C /分钟升至1400°C温度范围，并保温30分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。产物的晶体结构、形貌和成分等特性均与实施例1相同。
[0024]实施例4
[0025]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为40厘米，底盖内壁直径为15厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为15毫米，高度为6毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直径为1.5厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为20纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为1:2)，混合气的流量为250标准毫升/分钟。最后将炉温以70°C /分钟升至1250°C温度范围，并保温40分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。产物的晶体结构、形貌和成分等特性均与实施例1相同。
[0026]实施例5
[0027]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为32厘米，底盖内壁直径为14厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为16毫米，高度为8毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直径为1.8厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为15纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为3:2)，混合气的流量为180标准毫升/分钟。最后将炉温以60°C /分钟升至1200°C温度范围，并保温60分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。产物的晶体结构、形貌和成分等特性均与实施例1相同。
[0028]实施例6
[0029]先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中。这个圆柱形容器由高纯石墨加工而成。在容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为17厘米，底盖内壁直径为13厘米。在圆柱形容器外壁有二个宽度为13毫米，高度为9毫米的缺口。反应气可以从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体。容器盖上设计有两个直 径为0.8厘米圆形孔洞。这两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底。硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为13纳米的金薄膜。将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上。在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置。然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体(氨气与氩气的摩尔比范围为1:1)，混合气的流量为300标准毫升/分钟。最后将炉温以70°C /分钟升至1350°C温度范围，并保温80分钟。然后将容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物。产物的晶体结构、形貌和成分等特性均与实施例1相同。
【权利要求】
1.一种制备氮化铝纳米线的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: 步骤1，先将气相氧化铝和还原碳粉用研磨混合均匀后放置到同一个圆柱形容器中，该圆柱形容器由高纯石墨加工而成，在所述容器上有两通气用的缺口圆柱形容器高度为20-40厘米，底盖内壁直径为10-20厘米，在所述圆柱形容器外壁有二个宽度为10-18毫米，高度为5-10毫米的缺口 ；反应气从这两个缺口进入容器中来为氮化铝纳米线提供反应气体，容器盖上设计有两个直径为0.5-2厘米圆形孔洞；所述两个圆形孔洞用来支撑生长氮化铝纳米线所用的镀金硅衬底； 步骤2，硅衬底表面用磁控溅射法镀一层厚度约为5-20纳米的金薄膜，将镀金硅衬底的镀金表面倒扣向下放置在容器盖的圆形孔洞上； 步骤3，在氮化铝纳米线生长过程中，先将容器放在立式管式炉正中间位置，然后将腔体抽真空后，通入一定量的氨气和氩气的混合气体，所述混合气体的为氨气与氩气的摩尔比范围为1:2至3:1之间，所述混合气的流量为100-300标准毫升/分钟，最后将炉温以30-600C /分钟升至1100~1400°C温度范围，并保温20-120分钟； 步骤4，将所述容器温度降至室温，取出样品，在硅衬底表面有一层白色的沉积物即为氮化铝纳米线。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤I中的原料为气相氧化铝和还原碳粉，所述石墨容器是由高纯的石墨制成；在所述石墨容器上两通气用的缺口圆柱形容器高度为30厘米，底盖内壁直径为15厘米，在圆柱形容器外壁有二个宽度为15毫米，高度为8毫米的缺口，容器盖上设计有两个直径为I厘米圆形孔洞。
3.根据权利要求1所 述的制备方法，其特征在于所述的步骤2中的硅衬底表面用磁控溅射法镀一层12纳米的金薄膜。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3中的混合气体的氨气与氩气的摩尔比范围为1:1至2:1之间。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的步骤3中反应气的流量为150标准毫升/分钟；并以50°C /分钟的升温速度，将容器温度升之1200~1300°C进行沉积，并保温60~90分钟。
【文档编号】C01B21/072GK103539087SQ201310503669
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2013年10月23日
【发明者】雷鸣, 黄凯, 刘文军, 梁策, 张茹, 肖井华 申请人:北京邮电大学