专利名称：具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米绳及其制法，尤其是具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳及其制备方法。
背景技术：
准一维纳米材料具有许多新的优良特性，其应用可以分为两个方面。一是利用纳米级的尺寸，以作为下一代纳米电子技术的构筑单元；这一方面的实现往往需要能操控单根纳米结构的昂贵设备，制备效率也很低。二是利用小尺寸、大比表面积和奇特的量子效应同周围环境发生相互作用，从而在宏观性质上发生变化；这一方面具有广泛的应用前景，并且工作的重点集中在样品的制备上，投资较小。如在2003年7月31日公开的美国发明专利申请公开说明书US 2003142397A中披露的一种“光源限制材料”。它意欲提供一种能稳定发光的材料；由金属钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜制成。但是，这种材料存在着不足之处，首先，仅有发光特性，而无潮湿环境的敏感性；其次，不是以发光强度来显示其受潮湿程度的氧化硅纳米绳。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种对潮湿环境敏感的、制备简便的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳及其制备方法。
具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的直径为1～3微米、长度为100～500微米。
作为具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的进一步改进，所述的氧化硅纳米绳由众多不断分叉和粘连的氧化硅纳米线组成，所说氧化硅纳米线的直径为10～100纳米；所述的氧化硅纳米线为二氧化硅纳米线。
具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法是按以下步骤完成的将一氧化硅粉和水蒸气置于流动的氩气气氛中，在1100～1300℃下反应50～70分钟，于沉积衬底上获得具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳。
作为具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法的进一步改进，所述的流动的氩气气氛为10～30sccm的氩气；所述的反应结束后，自然降温至室温；所述的自然降温至600℃后，撤走水蒸气；所述的沉积衬底为单晶硅片。
相对于现有技术的有益效果是，其一，对制得的产物分别使用场发射扫描电子显微镜、X射线能谱仪、透射电子显微镜、荧光光谱仪、傅立叶变换红外光谱仪来进行表征，从得到的扫描电镜照片、X射线能谱图、透射电镜照片和对应的选区电子衍射照片、以及荧光谱图、红外谱图可知扫描电镜下的产物为大量的纳米级的绳索状物，其中，每一根纳米绳的直径为1～3微米、长度为100～500微米，其均由大量分叉的纳米线通过不断地分裂、粘连而成。纳米线的直径为10～100纳米。X射线能谱图表明产物由硅、氧原子构成，其原子比约为1∶2，由此可确定它就是二氧化硅。透射电镜同样证实了它的形貌特点，其对应的选区电子衍射表明这种二氧化硅纳米结构是非晶的。荧光谱图表明，新鲜制备的氧化硅纳米绳具有较强的蓝色荧光，荧光中心大约在460nm，这里的发光原因归结于氧化硅表面的羟基。羟基是在制备时吸附在氧化硅表面的。当把氧化硅纳米绳放置在相对湿度为70％的恒湿柜中3小时后，其蓝色荧光就会变得非常弱。然而，把这些湿化后的氧化硅纳米绳再次干燥后，蓝色荧光将再次出现，荧光强度和刚制备出的相当。蓝色的荧光特性可以用氧化硅表面水分子的吸附和脱附来解释，由于氧化硅表面的羟基极易与外界环境中的水分子相互作用并吸附在其表面，这会影响光生电子-空穴的复合概率，从而导致发光强度显著降低；在烘箱中烘干3小时，会脱去氧化硅表面吸附的水蒸气，从而使荧光强度又恢复到初始状态。这种荧光强度随着对氧化硅纳米绳的后续处理是呈周期性变化的。红外吸收谱也更加验证了氧化硅表面水分子的变化与荧光光谱有着一一对应的关系；其二，这种对环境敏感的纳米器件极易于在光开关和基于光信号的湿度传感器方面得到广泛的应用；其三，制备所用原料的价格低廉、且易得，对设备无特殊要求，工艺简单、无污染，易于工业化生产和产品的商业化应用。
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
图1是对制得的产物用JEOL JSM-6300F型场发射扫描电子显微镜进行观察后拍摄的照片，从照片中可以看到产物为大量的纳米绳；图2是用JEOL JSM-6300F型场发射扫描电子显微镜在较高的倍数下对制得的产物进行观察后拍摄的照片，从照片中可以看到这种纳米绳是由众多的纳米线构成的；图3是用JEOL JSM-6300F型场发射扫描电子显微镜在更高的倍数下对制得的产物进行观察后拍摄的照片，从照片中可以看出这种纳米绳是由众多的纳米线通过分裂和粘连而构成的，照片左上角的小照片对此点反映得更加清楚；图4是对制得的产物用Escalabmk2型X-射线光电子能谱仪测试后得到的X-射线光电子能谱(XPS)，其中，纵坐标为相对强度，横坐标为束缚能，由XPS可知，产物的纳米结构只是由硅、氧两种元素构成的，其原子比大致为1∶2；图5是用JEM-200CX型透射电子显微镜在不同的倍数下对制得的产物进行观察后拍摄的照片，其中，(a)图和(b)图均显示了构成氧化硅纳米绳的纳米丝的结构和形貌，(b)图中的插图为其的电子衍射图，表明了它是非晶的；图6是对经过不同处理阶段的产物用FLS 920型荧光光谱仪进行测试后获得的荧光谱图，其中，纵坐标为荧光的发光强度，横坐标为波长，图中的-■-连线表示刚制备出的产物的荧光曲线，-△-连线表示在恒湿柜中放置3小时后的产物的荧光曲线，-○-连线表示将产物湿化后再次放置在烘箱中3小时后的荧光曲线，由这些荧光曲线可看出产物发光的可逆变化性；图7是用FLS 920型荧光光谱仪测试并记录下对产物进行三次周期性处理的结果图，其中，纵坐标为相对强度，横坐标为周期，图中的H表示潮湿处理，D表示干燥处理；图8是对经过不同处理阶段的产物用Nicolet NEXUS型傅立叶变换红外光谱仪进行测试后获得的红外谱图，其中，纵坐标为透射率，横坐标为波数，图中的曲线a表示刚制备出的产物的红外吸收曲线，曲线b表示在恒湿柜中处理过的产物的红外吸收曲线，曲线c表示经湿化再于烘箱中处理后的产物的红外吸收曲线，由这些吸收曲线可看出产物表面水分子的吸附、脱附与发光强度之间一一对应的关系。
具体实施例方式
实施例1将盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高温水平管式炉的加热陶瓷管腔中心，在该加热陶瓷管腔的一端放置一些单晶硅片以作为产品的收集衬底、另一端的端口放置盛满去离子水的陶瓷舟来用作水蒸气源。启动高温水平管式炉进行加热，并使10sccm的氩气自放置盛满去离子水的陶瓷舟的端口始终向加热陶瓷管腔中吹送。当一氧化硅粉和水蒸气于流动的氩气气氛中，在1100℃下反应70分钟后，于自然降温至600℃时，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸气；之后，降温至室温，从而于沉积的衬底单晶硅片上获得如图1、图2、图3、图4和图5所示的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，对其进行测试后，其结果如图6、图7和图8中的曲线所示。
实施例2将盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高温水平管式炉的加热陶瓷管腔中心，在该加热陶瓷管腔的一端放置一些单晶硅片以作为产品的收集衬底、另一端的端口放置盛满去离子水的陶瓷舟来用作水蒸气源。启动高温水平管式炉进行加热，并使15sccm的氩气自放置盛满去离子水的陶瓷舟的端口始终向加热陶瓷管腔中吹送。当一氧化硅粉和水蒸气于流动的氩气气氛中，在1150℃下反应65分钟后，于自然降温至600℃时，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸气；之后，降温至室温，从而于沉积的衬底单晶硅片上获得如图1、图2、图3、图4和图5所示的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，对其进行测试后，其结果如图6、图7和图8中的曲线所示。
实施例3将盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高温水平管式炉的加热陶瓷管腔中心，在该加热陶瓷管腔的一端放置一些单晶硅片以作为产品的收集衬底、另一端的端口放置盛满去离子水的陶瓷舟来用作水蒸气源。启动高温水平管式炉进行加热，并使20sccm的氩气自放置盛满去离子水的陶瓷舟的端口始终向加热陶瓷管腔中吹送。当一氧化硅粉和水蒸气于流动的氩气气氛中，在1200℃下反应60分钟后，于自然降温至600℃时，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸气；之后，降温至室温，从而于沉积的衬底单晶硅片上获得如图1、图2、图3、图4和图5所示的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，对其进行测试后，其结果如图6、图7和图8中的曲线所示。
实施例4将盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高温水平管式炉的加热陶瓷管腔中心，在该加热陶瓷管腔的一端放置一些单晶硅片以作为产品的收集衬底、另一端的端口放置盛满去离子水的陶瓷舟来用作水蒸气源。启动高温水平管式炉进行加热，并使25sccm的氩气自放置盛满去离子水的陶瓷舟的端口始终向加热陶瓷管腔中吹送。当一氧化硅粉和水蒸气于流动的氩气气氛中，在1250℃下反应55分钟后，于自然降温至600℃时，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸气；之后，降温至室温，从而于沉积的衬底单晶硅片上获得如图1、图2、图3、图4和图5所示的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，对其进行测试后，其结果如图6、图7和图8中的曲线所示。
实施例5将盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高温水平管式炉的加热陶瓷管腔中心，在该加热陶瓷管腔的一端放置一些单晶硅片以作为产品的收集衬底、另一端的端口放置盛满去离子水的陶瓷舟来用作水蒸气源。启动高温水平管式炉进行加热，并使30sccm的氩气自放置盛满去离子水的陶瓷舟的端口始终向加热陶瓷管腔中吹送。当一氧化硅粉和水蒸气于流动的氩气气氛中，在1300℃下反应50分钟后，于自然降温至600℃时，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸气；之后，降温至室温，从而于沉积的衬底单晶硅片上获得如图1、图2、图3、图4和图5所示的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，对其进行测试后，其结果如图6、图7和图8中的曲线所示。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求
1.一种具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，其特征在于绳的直径为1～3微米、长度为100～500微米。
2.根据权利要求1所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，其特征是氧化硅纳米绳由众多不断分叉和粘连的氧化硅纳米线组成，所说氧化硅纳米线的直径为10～100纳米。
3.根据权利要求2所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，其特征是氧化硅纳米线为二氧化硅纳米线。
4.根据权利要求1所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法，其特征在于是按以下步骤完成的将一氧化硅粉和水蒸气置于流动的氩气气氛中，在1100～1300℃下反应50～70分钟，于沉积衬底上获得具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳。
5.根据权利要求4所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法，其特征是流动的氩气气氛为10～30sccm的氩气。
6.根据权利要求4所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法，其特征是反应结束后，自然降温至室温。
7.根据权利要求6所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法，其特征是自然降温至600℃后，撤走水蒸气。
8.根据权利要求4所述的具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳的制备方法，其特征是沉积衬底为单晶硅片。
全文摘要
本发明公开了一种具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳及其制备方法。纳米绳的直径为1～3微米、长度为100～500微米，其是由众多不断分叉和粘连的直径为10～100纳米的二氧化硅纳米线组成；方法为将一氧化硅粉和水蒸气置于流动的氩气气氛中，在1100～1300℃下反应50～70分钟，于沉积衬底上获得具有可逆发光特性的氧化硅纳米绳，所述的流动的氩气气氛为10～30sccm的氩气，所述的反应结束后，自然降温至600℃，之后，撤走水蒸气，所述的沉积衬底为单晶硅片。这种对环境敏感的纳米器件极易于在光开关和基于光信号的湿度传感器方面得到广泛的应用；制备时所用原料的价格低廉、且易得，对设备无特殊要求，工艺简单、无污染，易于工业化生产和产品的商业化应用。
文档编号C01B33/18GK1861522SQ200510040050
公开日2006年11月15日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者郝玉峰, 孟国文, 张立德 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院