一种AlB₁₂纳米/亚微米球形材料及其制备方法

专利名称：一种AlB₁₂纳米/亚微米球形材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米、亚微米材料领域，具体说，是涉及AlB12纳米/亚微米球形材料及 其制备方法。
背景技术：
金属硼化物一般都具有高熔点、高稳定性、好的耐磨性能等优点，因此金属硼化物 材料以及其复合材料在国防和民用工业中得到了广泛的应用。AlB12是金属元素铝(Al)和 非金属元素硼(B)化合而成的金属硼化物。AlB12的晶体结构图告诉可知，体积小的硼原子 构成二十面体，这些二十面体由铝一暗自连接起来，构成网状结构。这种特殊的开放的硼原 子框架结构，决定了 AlB12具有高熔点、高硬度、耐磨性好、比重低等优点。值得特别指出的 是，B原子有较大的散射截面，而AlB12具有较高的硼含量(82. 8%),因此在中子吸收方面 的应用受到了广泛关注。另外，由于硬度高，耐磨性能好，中子吸收能力强，在研磨工业及武 器装备复合装甲方面有着非常广阔的应用。理论和实践均表明随着研究对象(材料)尺寸的减小，材料的量子尺寸效应、表 面效应、宏观量子隧道效应、库仑阻塞效用表现越来越明显，因此涉及光学、磁学、声学和力 学性质亦会发生变化。国内外的材料工作者在AlB12粉体(块体)材料和其复合材料有较 多报道，但是关于球形状纳米/亚微米AlB12材料却未见报道。

发明内容
本发明的目的在于提供一种AlB12纳米/亚微米球形材料及其制备方法。本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的AlB12纳米/亚微米球形材料，其 特征在于，所述AlB12纳米/亚微米具有球形结构，颗粒的大小在80ηπι-2μ m。本发明的球形AlB12纳米/亚微米材料采用化学气相沉积方法制备所得，其具体工 艺步骤如下(1)将l_2g铝源、单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对 石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，其流速为lO-lOOsccm ；(2)将步骤(1)的管式电炉加热到800-900°C，然后通入硼源，其流速为 IO-IOOsccm ；同时调节保护和还原性气体流速为20-200sccm ；保持15-60分钟；(3)在保护气体和还原性气体的混合气气氛下降温，直至冷却至室温；(4)取出单晶硅片衬底(蒸发位)，其上黑色的一层薄膜即为AlB12纳米/亚微米 球形材料。所述硼源为BCl3 ；所述步骤⑴、(2)和(3)中的还原性气体为H2气，保护气体为 Ar气，还原性气体与保护气体体积比为0.1-10 1。有益的是，所述铝源为金属铝，其粒度为0. 1-0. 5mm。本发明得到的AlB12纳米/亚微米球形材料直径约80nm-2 μ m,比表面积大，有望 在中子吸收和高性能装甲等领域获得重要应用。所述制备出的AlB12纳米/亚微米球形材料，试验过程简单，易于操作，不需要复杂的工艺条件，便于工业化生产。


图1.是说明书中的合成AlB12纳米/亚微米球形材料的实验装置示意图。图2是实施例1中AlB12纳米/亚微米球形材料的SEM照片。图3a是实施例2中AlB12纳米/亚微米球形材料的SEM照片。图3b是实施例2中AlB12纳米/亚微米球形材料的高分辨TEM照片和相应的电子 衍射照片。图3c是实施例2中AlB12纳米/亚微米球形材料能谱图。图4是实施例3中AlB12纳米/亚微米球形材料的SEM照片。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不 局限于实施例表示的范围。实施例1 (1)将放有2g铝粉末(粒径约0. 1-0. 5mm)、单晶硅片衬底的石英舟(衬底放在铝 源的下气流方向)放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后 通入H2/Ar气体，(H2气和Ar气的体积比为0. 1，下面步骤比例同)，其流速为IOsccm ；(2)将管式电炉加热到800°C，此时通入BCl3,流速为lOOsccm ；同时调节保护和还 原性气体流速为200sCCm ；保持60分钟；(3)反应后，在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温(气流流 速不限)，直至冷却至室温。(4)取出单晶硅片衬底(蒸发位)，其上黑色的一层薄膜即为AlB12纳米/亚微米 球形材料。图2是本实施例所制备样品的SEM照片。从图中可以看出，该实施例制备出的样 品为AlB12纳米/亚微米球形材料，大多数球形颗粒直径约为lOOnm-2 μ m,长度约1_2 μ m。 用电镜仔细观察，还可以发现少量的AlB12纳米线。实施例2 (1)将放有1. 5g铝粉末(粒径约0. 1-0. 5mm)、单晶硅片衬底(衬底放在铝源的下 3流方向)的石英舟放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然 后通入H2/Ar气体(H2气和Ar气的体积比为1，下面步骤比例同)，其流速为60sccm ；(2)将管式电炉加热到850°C，此时通入BCl3,流速为60sCCm ；同时调节保护和还 原性气体流速为120sCCm ；保持30分钟；(3)反应后，在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温(气流流 速不限)，直至冷却至室温。(4)取出单晶硅片衬底(蒸发位)，其上黑色的一层薄膜即为AlB12纳米/亚微米 球形材料。图3a是本实施例所制备样品的SEM照片(纳米线)，从图中可以看出，规则的圆形 小球铺满了整个衬底，小球颗粒的直径约lOOnm-2 μ m。
图3b是实施例2中AlB12纳米/亚微米球形材料的高分辨TEM照片和相应的电子衍射照片。高分辨TEM照片表明所制备的样品为非晶材料，电子衍射所得的结果也表明所 样品为非晶，和高分辨TEM的结果一致。图3c是实施例2中AlB12纳米/亚微米球形材料能谱图。从图中可以看出A1、B、 Cu、0、C和Si五种元素显示在谱里面，其中Al元素来自于所制备的材料；Cu来自于样品架 铜网；其中的0可能来自于做实验时候石英管里面O2的残余；Si来自于材料于Si衬底，C 来自铜网上的碳膜。其中Al和B的原子百分比为11. 9，与AlB12的化学计量比符合的较好。图3a 图3c说明，本实施例的方法可制备出非晶的AlB12纳米/亚微米球形材 料。实施例3 (1)将放有Ig铝粉末(粒径约0. 1-0. 5mm)、单晶硅片衬底(衬底放在铝源的下气 流方向)的石英舟放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后 通入H2/Ar气体(H2与Ar的体积比为10，下面步骤比例同)，其流速为IOOsccm ；(2)将管式电炉加热到900°C，此时通入BCl3,流速为IOsccm ；同时调节保护和还 原性气体流速为20sCCm ；保持15分钟；(3)反应后，在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温(气流流 速不限)，直至冷却至室温。(4)取出单晶硅片衬底(蒸发位)，其上黑色的一层薄膜即为AlB12纳米/亚微米 球形材料。图4是本实施例所制备样品的SEM照片。从图中可以看出，该实施例制备出的样 品为AlB12纳米/亚微米球形材料，大多数球形颗粒直径约为80nm-2 μ m。以上实例中所制备的AlB12纳米/亚微米球形材料样品的检测，是用扫描电镜 SEM(JSM-6330F)、透射电镜TEM(JEM_2010HR)等进行观察和分析。
权利要求
一种纳米/亚微米球形AlB12材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤和工艺条件(1)将铝源和单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，其流速为10-100sccm；(2)将步骤(1)的管式电炉加热到800-900℃，然后通入硼源，其流速为10-100sccm；同时调节保护和还原性气体流速为20-200sccm；保持15-60分钟；(3)在保护气体和还原性气体的混合气气氛下降温，直至冷却至室温；(4)取出单晶硅片衬底，其上黑色的一层薄膜即为AlB12纳米/亚微米球形材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其中所述硼源为BCl3；所述步骤(1)、(2)和(3)中 的还原性气体为H2气，保护气体为Ar气，还原性气体与保护气体体积比为0.1-10 1。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其中将所述单晶硅片衬底和铝源一同放入石英 舟中再置于所述管式电炉的石英管中部，所述单晶硅片衬底在铝源的下气流方向。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述铝源为金属铝，其粒度为 0. 1-0. 5mm ；所述铝源的用量为l_2g。。
5.一种由权利要求1所述方法制备的纳米/亚微米球形AlB12材料，其特征在于，所述 AlB12纳米/亚微米球形材料生长在硅衬底上，所制备的AlB12材料为圆球状颗粒，直径为 80nm-2μ m。
全文摘要
本发明公开了一种AlB12纳米/亚微米球形材料的制备方法。该方法首先将放有铝源的石英舟和单晶硅片衬底(衬底纯净，放在靠近石英舟的下气流方向)放入管式电炉的石英管中部，密封石英管(合成AlB12纳米/亚微米球形材料的实验装置，如图(1)所示)，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，再将电炉加热到800-900℃，然后通入硼源，同时调节保护和还原性气体，保持15-60分钟；反应完全后，系统在保护气体和还原性气体的混合气气氛下降温，直至冷却至室温；冷却后，取出Si基片(蒸发位)，衬底上黑色的一层物质即为所制备的样品。铝源为金属铝粉末，硼源为BCl3；还原性气体为H2气，保护气体为Ar气。本发明首次制备出AlB12纳米/亚微米球形材料，试验过程简单，易于操作，便于推广应用。
文档编号C23C16/455GK101812672SQ201010125170
公开日2010年8月25日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者余本海, 朱建君, 李萌, 王艳蕊, 罗永松, 董宝平, 许军旗, 雷前涛 申请人:信阳师范学院