专利名称：直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，具体是一种直接用ZnS粉末合成具有疏水性能二氧化硅纳米线的方法。
背景技术：
半导体纳米线由于尺寸小，具有不同于块体材料的量子限域效应而在许多方面表现出优异性能；同时，随着大规模集成电路线宽的逐渐减小，对于半导体纳米纤维的研究显得尤为重要，半导体纳米线对于将来与集成电路工艺相兼容表现出了良好的潜力。因此，这将使得对于硅及氧化硅纳米线的合成与应用研究被广泛展开。到目前为止，对硅及氧化硅纳米线的合成按照生长机理分主要有VLS法、氧化物辅助生长法、纯化学法等等。在这些方法当中，由于VLS和氧化物辅助制备方法较为简单而被广泛关注。
疏水性材料在玻璃、雷达、天线等许多需要防潮功能的领域具有重要应用。具有疏水表面材料的应用可以为人类节省清洁费用和时间，可以借助雨水的作用自动清洗表面。目前人们对于各种有机物等材料进行了各种各样的疏水性能研究。一维纳米材料由于其特殊的几何构造，表面具备一定的粗糙度，从而满足了疏水性的要求，因而包括纳米碳管、硅纳米线、ZnO等一维纳米材料已经被研究用于疏水性能。但对于氧化硅纳米线在疏水性能方面，研究才刚刚起步。同时，对于具有降低表面自由能作用的含氟有机物，已经被用于多种疏水性材料表面，而在氧化硅纳米线表面，也极少发现被应用研究。
经对现有技术的文献检索发现，没有发现有研究者对采用直接热蒸发ZnS合成的二氧化硅纳米线进行疏水性研究，只是对其它方法合成的一维纳米材料进行了疏水性研究。比如Y.Coffinier等在《Langmuir》(《兰格缪尔》)2007年第23期第1608-1671页上发表的“Preparation of superhydrophobic siliconoxide nanowire surfaces”(制备超疏水性SiO2纳米纤维表面)，该文中提出在SiO2纳米纤维表面镀一层含氟有机物，从而得到接触角为150度的疏水表面。其不足在于制备程序复杂，成本较高，应用范围受到限制。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，使其可以简单易行的在硅基底上大规模合成接触角大于143度的超疏水性二氧化硅纳米线表面。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态ZnS粉末作为反应辅助剂，以惰性气体氩气为载气，通过在常压下直接高温热蒸发反应在硅片表面生长成二氧化硅纳米线，之后再在合成出的二氧化硅纳米线表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于140度的超疏水性二氧化硅纳米线表面。
本发明包括如下步骤第一步，将硅片(矩形硅片1×1cm)放入石英管式炉中央，固态ZnS粉末被固定在石英管气体流入的一侧；第二步，将炉体温度升高到1350℃，在开始升温时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度1350℃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，在硅片表面得到大量二氧化硅纳米线；第四步，将得到的二氧化硅纳米线和全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，进行蒸镀反应，得到具有超疏水性能的二氧化硅纳米线样品。
第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行，把固态ZnS粉末固定在石英管气体流入的一侧，矩形硅片放入石英管式炉中央。
第二步中，所述的将炉体温度升高到1350℃，升温速率为10℃/min。
第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为50-500ml/min。
第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-5小时。
第四步中，所述的全氟硅烷体积为0.05-0.2ml，蒸镀反应温度为150度，反应时间3.0小时。
本发明通过常压高温下ZnS与氧气反应生成的S与硅反应，生成SiS，其再分解生成Si，从而氧化形成二氧化硅纳米线结构，具体反应方程为
Si+S＝SiS，2SiS↑＝Si+SiS2，Si+O2＝SiO2。
加入惰性保护气体氩气的目的主要是把S蒸气带到硅片表面并与之反应。蒸镀一层全氟硅烷有机物是为了降低表面自由能，从而使疏水性能提高，而一般物体没有超疏水性，接触角只有几十度。
本发明工艺简单易行，原料采用便宜而应用广泛的硅片和ZnS粉末，并且使用非常少含量的全氟硅烷，可以方便地通过简易管式炉和烘箱合成出高疏水性的二氧化硅纳米线表面。
与现有技术相比，本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态ZnS粉末作为反应辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，通过在常压下直接高温热蒸发反应在硅片表面生长并被氧化成二氧化硅纳米线，以全氟硅烷为表面改性有机物，制备工艺简单，不存在金属催化剂沾污，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，所制备出的样品疏水性能高，接触角最高可达到145度。
图1为采用本发明所制备出二氧化硅纳米线的扫描电镜(SEM)照片图2为接触角为145度的超疏水性二氧化硅纳米线光学显微镜照片具体实施方式
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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下实施例采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态ZnS粉末为反应辅助剂，以惰性气体氩气为载气，在常压高温下直接进行反应，从而形成硅纳米线结构。ZnS的存在会使得分解出的S与硅发生反应生成SiS，SiS在较高温度下会升华并分解出Si和SiS2，分解出的Si在高温下氧化生长成二氧化硅纳米线。将二氧化硅纳米线和全氟硅烷密封放入不锈钢器罐中进行蒸镀反应，得到具有超疏水性能的二氧化硅纳米线样品。
实施例1将装有3片干净硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，将5g固态ZnS粉末固定在石英管气体流入的一侧。以10℃/min的速率升温到反应温度1350℃。在开始升温时，通入气体流量为50ml/min的氩气；在反应温度1350℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行2小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量无序二氧化硅纳米线样品，见图1，图中可以看出，在硅片表面产生了大量无序排列的二氧化硅纳米线。将合成出的二氧化硅纳米线和0.05ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到接触角高于140度的超疏水性二氧化硅纳米线。
实施例2将装有3片干净硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，将5g固态ZnS粉末固定在石英管气体流入的一侧。以10℃/min的速率升温到反应温度1350℃。在开始升温时，通入气体流量为500ml/min的氩气；在反应温度1350℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行3小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量无序二氧化硅纳米线样品。将合成出的二氧化硅纳米线和0.1ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到接触角为145度的具有超疏水性能的二氧化硅纳米线，见图2，图中可以看出，二氧化硅纳米线样品显示出了的良好的疏水性能。
实施例3将装有3片干净硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于卧式石英管式炉中央，将5g固态ZnS粉末固定在石英管气体流入的一侧。以10℃/min的速率升温到反应温度1350℃。在开始升温时，通入气体流量为200ml/min的氩气；在反应温度1350℃下，保持腔内气体流量，反应持续进行5小时，反应完后将反应产物取出，在硅片表面得到大量无序二氧化硅纳米线样品。将合成出的二氧化硅纳米线和0.2ml的全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，在150度下进行蒸镀反应3.0小时，得到接触角大于140度的具有超疏水性能的二氧化硅纳米线。
权利要求
1.一种直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征在于，采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态ZnS粉末为反应辅助剂，以惰性气体氩气为载气，在硅片上生长成二氧化硅纳米线，再在合成出的二氧化硅纳米线表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于140度的超疏水性能二氧化硅纳米线样品。
2.根据权利要求1所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，包括如下步骤第一步，反应在石英管式炉中进行，把固态ZnS粉末固定在石英管气体流入的一侧，矩形硅片放入石英管式炉中央；第二步，将炉体温度升高到1350℃，在开始升温时，通入惰性气体氩气；第三步，在反应温度1350℃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，在硅片表面得到大量二氧化硅纳米线；第四步，将得到的二氧化硅纳米线和全氟硅烷密封一并放入不锈钢器罐中，进行蒸镀，得到具有超疏水性能的二氧化硅纳米线样品。
3.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第一步中，反应在卧式石英管式炉中进行。
4.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第二步中，所述的将炉体温度升高到1350℃，升温速率为10℃/min。
5.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性气体氩气，气体流量为50-500ml/min。
6.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第三步中，所述的反应持续进行，持续时间为2-5小时。
7.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第四步中，所述的全氟硅烷，其体积为0.05-0.2ml。
8.根据权利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第四步中，所述的蒸镀，其温度为150度。
9.根据权利要求2或8所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，其特征是，第四步中，所述的蒸镀，其时间为3.0小时。
全文摘要
一种直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅纳米线的方法，属于纳米材料技术领域。本发明采用硅片作为反应衬底和硅源，以固态ZnS粉末为反应辅助剂，以惰性气体氩气为保护气体及载气，在硅片上生长成二氧化硅纳米线，再在合成出的二氧化硅纳米线表面蒸镀一层全氟硅烷，从而得到接触角高于140度的疏水性二氧化硅纳米线样品。本发明简单易行，无金属催化剂，对环境无污染，无明显易燃危险原料；超疏水性能高，可以在许多需要自清洗的领域得到应用。
文档编号B82B3/00GK101066763SQ20071004170
公开日2007年11月7日 申请日期2007年6月7日 优先权日2007年6月7日
发明者牛俊杰, 王健农, 许前丰 申请人:上海交通大学