一种超薄碳化硅材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种超薄碳化硅材料的制备方法，将硅源与碳源相距0-100cm放置于反应炉管内；以1℃/min-300℃/min的速率升温至600℃－2300℃，反应炉管抽至真空度为10-5-105Pa，在保护气氛下反应1-2880min；然后以1℃/min-500℃/min的速率冷却至室温，得到超薄碳化硅材料。本发明制备工艺简单，制得的超薄碳化硅（5纳米厚度以下）是一种具有宽禁带并且能够稳定存在的二维材料，它的诞生克服了石墨烯没有禁带和单层二硫化钼不能稳定存在的缺点。可广泛用于量子光源、光电、半导体原型器件、微电子电路、射频器件、集成电路、光催化、海水淡化、纳米能源、复合材料等【技术领域】。
【专利说明】一种超薄碳化娃材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超薄碳化硅材料的制备方法，属于碳化硅材料制备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]石墨烯是单原子层碳晶体材料，它的发现证实了二维材料的稳定存在并且开辟了二维材料的研究的新阶段，特别是其优异的光电性能引起了广大科学家的兴趣，比如它的载流子迁移率能够达到200，000 cm2/V.s,这为其能制造高频率工作的电子提供了基础，单层石墨烯的对光的吸收为2.3%，这使得它能成为光电器件研究的一种重要的材料。但是，石墨烯拥有优异的光电特性的同时，它具有一个非常严重的缺陷，即禁带宽度为零，这使得它在微纳光电子器件的应用存在一定的限制作用。通常要采用制备石墨烯纳米带等办法来打开石墨烯的能带，但能带大小都在300 meV以下。因此,科学家正在寻找一种其他更加优越的二维材料来代替石墨烯，比如二维的二硫化钥，这是一种禁带宽度可以达到1.5eV的二维材料；但是单层的二硫化钥不能稳定存在，及其容易被空气氧化，这也使得它的运用受到了一定的限制。碳化硅作为一个重要的宽禁带半导体，在光电子领域有着广阔的应用，但是碳化硅的生长面临一个重要问题，即碳化硅有200多种同素异形体。如果我们能制备超薄碳化硅，那么我们可以得到单一相的碳化硅。而且根据理论计算，单层碳化硅是直接禁带半导体。目前，国际上尚未有人得到超薄乃至单层碳化硅结构。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种超薄碳化硅材料的制备方法。
[0004]实现上述发明的技术解决方案是:
超薄碳化硅材料的制备方法，包括如下步骤:
1)将硅源与碳源相距Ο-lOOcm放置于反应炉管内，硅源与碳源的摩尔数比为100:1-1:100 ；
2)以1°C/min-300°C /min的速率升温至600°C — 2300°C，反应炉管抽真空至真空度为10_5-105Pa，然后通入保护气氛，在保护气氛下反应l-2880min ；
3)以1°C /min-500°C /min的速率冷却至室温，得到超薄碳化娃材料。
[0005]本发明中，所述的硅源可以为硅片、硅粉末、二氧化硅粉末或者一氧化硅粉末。所述的碳源可以为石墨烯粉末或者石墨材料。
[0006]本发明步骤2)中所述的保护气体可以是氩气、氢气、氮气和氦气中的一种或者几种按任意比例的混合气体。
[0007]本发明制备工艺简单，超薄碳化硅(5纳米厚度以下)是一种具有宽禁带并且能够稳定存在的二维材料，它的诞生克服了石墨烯没有禁带和单层二硫化钥不能稳定存在的缺点。本发明制备的超薄二维碳化硅，在量子光源、光电、半导体原型器件、微电子电路、射频器件、集成电路、光催化、海水淡化、纳米能源、复合材料等多个【技术领域】具有广泛应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是实施例1的超薄碳化硅在电镜下的形貌图；
图2是实施例1的超薄碳化硅的拉曼光谱图；
图3是实施例1的超薄碳化硅的原子力显微镜图；其中:图(a)为超薄碳化硅在原子力显微镜下的形貌图，图(b)为图(a)中直线所在位置的表面高度曲线。
【具体实施方式】
[0009]以下结合实施例进一步说明本发明。
[0010]实施例1
1)将硅粉末与石墨烯粉末混合放置于反应炉管内，硅粉末与石墨烯粉末的摩尔数比为100:1 ；
2)以1°C/min的速率升温至600°C，反应炉管抽真空至真空度为10_5Pa，然后通入氩气，在氩气气氛下反应lOmin ；
3)以1°C/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到超薄碳化硅材料，得到的超薄碳化硅在电镜下的形貌图如图1所示，其拉曼光谱图如图2所示，原子力显微镜图由图3所示，由图2可以看出，反应产物的拉曼光谱中有明显的79601^1的峰位，对应碳化娃的拉曼峰位，由图3可见超薄碳化娃厚度为1.5-2.5nm。
[0011]实施例2:
1)将二氧化硅粉末与石墨烯粉末放置于反应炉管内，二氧化硅粉末与石墨烯粉末的摩尔数比为1:10,两者相距10cm ；
2)以100°C/min的速率升温至1200°C，反应炉管抽真空至真空度为10_2Pa，然后通入氮气，在氮气气氛下反应200min ；
3)以100°C/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到厚度为0.4nm的超薄碳化硅材料。
[0012]实施例3:
1)将一氧化硅粉末与石墨放置于反应炉管内，一氧化硅粉末与石墨的摩尔数比为1:60，两者相距60cm ；
2)以300°C/min的速率升温至1600°C，反应炉管抽真空至真空度为10_5Pa，然后通入気气和氢气混合气体，混合体积比为9:1 ;在||气和氢气气氛下反应1880min ；
3)以400°C/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到厚度为1.2nm的超薄碳化硅材料。
[0013]实施例4
1)将硅片与石墨放置于反应炉管内，硅片与石墨的摩尔数比为1:100，两者相距100cm ；
3)以200°C/min的速率升温至2000°C，反应炉管抽真空至真空度为105Pa，反应在氦气气氛下进行，反应时间为1440min ；
4)以500°C/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到厚度为1.6nm的超薄碳化硅材料。
[0014]实施例51)将硅片与石墨放置于反应炉管内，硅片与石墨的摩尔数比为5:1，两者相距50cm ；
2)以300°C/min的速率升温至2300°C，反应炉管抽真空至真空度为lOOOPa，然后通入，氮气和氢气混合气体，混合体积比为5:1 ;在氮气和氢气气氛下反应1440min;
3)以400°C/min的速率冷却至室温，将样品取出，得到厚度为2.0nm的超薄碳化硅材料。
【权利要求】
1.一种超薄碳化硅材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤: O将硅源与碳源相距O-1OOcm放置于反应炉管内，硅源与碳源的摩尔数比为100:1-1:100 ； 2)以1°C/min-300°C /min的速率升温至600°C — 2300°C，反应炉管抽真空至真空度为10_5-105Pa，然后通入保护气氛，在保护气氛下反应l-2880min ； 3)以1°C/min-500°C /min的速率冷却至室温,得到超薄碳化娃材料。
2.根据权利要求1所述的超薄碳化硅材料的制备方法，其特征在于所述的硅源为硅片、硅粉末、二氧化硅粉末或者一氧化硅粉末。
3.根据权利要求1所述的超薄碳化硅材料的制备方法，其特征在于所述的碳源为石墨烯粉末或者石墨材料。
4.根据权利要求1所述的超薄碳化硅材料的制备方法，其特征在于所述的保护气体为氩气、氢气、氮气和氦气中的一种或者几种按任意比例的混合气体。
【文档编号】C01B31/36GK104291339SQ201410511422
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】林时胜, 章盛娇, 李晓强, 吴志乾 申请人:浙江大学