专利名称：升华法制备碳化硅纳米棒的方法
技术领域：
本发明是关于一种制备碳化硅纳米棒的方法，特别是一种升华法制备碳化硅纳米 棒的方法。
背景技术：
碳化硅(SiC)是一种优异的宽禁带半导体材料，其特有的宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和迁移率和良好的化学稳定性使之在大功率、高温、高频 电子器件以及特种半导体器件等领域有着广阔的应用前景。近年来，研究发现一维的 碳化硅纳米结构一纳米棒或线，在具有很好的电学性质的同时，具备高强度、耐高温、 高化学稳定性等优异力学和化学性能，在纳米电子器件、特种复合陶瓷等领域有重要 的应用前景。目前，已经出现了多种制备碳化硅纳米棒的方法。如化学气相沉积法，利用含硅 和碳的有机化合物或卤化钩的气相反应，生长碳化硅纳米棒。Dai等用Si0或Sil2为硅源，在高温下与碳纳米管反应制备了碳化硅纳米棒(H. J. Dai， et al， Nature, 1995， 375， 769)。 Han等将Si02还原成Si0蒸气，与碳 纳米管反应合成了碳化硅纳米棒(W.Q. Han, et al， Chen. Phys. Lett. ， 1997， 265， 374)。CN200410012271. 5公开了一种制备碳化硅纳米纤维的方法，是将酚醛树脂溶于无 水乙醇中，加入稀土金属硝酸盐、醋酸盐或氯化物使之溶解，正硅酸乙酯滴加入上述 ,溶液中，并加入草酸和盐酸，室温下水解得到碳硅二元溶胶，再加入六次甲基四胺， 干燥得到干凝胶，将干凝胶在氩气保护气氛下，升温至1200—140(TC反应后，冷却至 室温，将反应产物在空气中氧化，再依次用硝酸和氢氟酸除去未反应的稀土金属氧化 物和二氧化硅，最后经水洗、过滤、烘干，即可得到碳化硅纳米纤维。CN200610049667. 6公开了一种合成碳化硅纳米棒的方法，是将碎硅片置于石墨坩 锅里，将盛有碳纳米管的多孔氧化铝基片放置于坩锅上，随后倒置另一石墨柑锅于基 片上；将坩锅放置真空高温烧结炉里，以10 30°C/min的升温速率一直升温到1400 °C 1600°C,保温时间3 6个小时，硅蒸气与碳纳米管反应，整个装置在氩气的气氛 下进行，反应结束后，关掉加热电源，冷却最后有大量的灰白色的纳米SiC棒粉体产品附着在基片上。CN200510028034. 2所公开的碳化硅纳米线的制备方法，将不含氧的硅烷置于刚 玉坩埚或刚玉舟内，将刚玉坩埚或刚玉舟放在耐高温板上面，然后把耐高温板推入高 温炉，排出炉内氧气，并通入惰性气体保护，在1000—110(TC高温下制备。CN200610053377. 9公开了一种合成六棱柱状碳化硅纳米棒的方法。将硅粉放入石 墨柑锅底部，盖上经抛光的光滑的石墨片，然后把整个装置放入真空烧结炉中并保温 制备六棱柱状SiC纳米棒。CN03119129.0所公开的碳化硅纳米棒的制备方法，以碳纳米管和聚碳硅烷溶液 为原料，采用浸渍和裂解工艺制备，将碳纳米管原料空气氧化处理并在浓硝酸中浸泡， 水洗后烘干；烘干后的碳纳米管浸入浓度为5wtX 30wt^的聚碳硅垸溶液，并超声 分散；抽空过滤，固液分离；固体沉降物放入炉内，在惰性气体下升温制得碳化硅纳 米棒。可以看出，目前制备碳化硅纳米棒的方法， 一般要使用Si， SiO或者硅垸为硅源， 碳纳米管或石墨片作为碳源，或者是用含硅、碳的'烷烃，含硅、碳的凝胶做前驱反应 物。这些方法容易产生其他分解产物的杂质或者是固态物的残留，造成所得纳米棒的 纯度和均匀性出现问题。发明内容本发明的目的是提供一种方法简单、易于推广、可进行大规模工业生产的以碳化 硅粉末为源料，直接在真空或低压惰性气体条件下，采用高温升华制备碳化硅纳米棒 的方法。本发明是通过以下工艺过程实现的以碳化硅粉为生长原料，取碳化硅粉放入坩埚中，最好为石墨坩埚中。 在坩埚上部距碳化硅粉物料30 300 mm处放置沉积物收集器，所述沉积物收集器 为至少有一个收集面的耐高温体，收集面为平面或者类似于平面。所述的沉积物收集 器可以为陶瓷材料、耐高温的金属材料制成的板或网、或者石墨毡中的一种，优选为 石墨毡。将上述坩埚及沉积物收集器置于10_3 Pa以下真空环境中，然后充以氩气至大于10000 Pa，优选为70000 100000 Pa，再升温至1800 2500°C ，之后抽气降压至10000 Pa以下并保温15 — 30小时进行升华沉积后，停止加温并使炉温冷却至常温，将柑埚 上部沉积物收集器取出，收集沉积物收集器收集面上沉积的白色絮状物，即为碳化硅纳米棒。作进一步改进的技术方案，上述坩埚最好置于一感应线圈中，采用感应加热方 式加热。作为进一步改进的技术方案，上述的坩埚最好放入一石墨加热筒中进行。 作为进一步改进的技术方案，上述收集的沉积物最好用盐酸和蒸馏水浸泡清洗， 之后将所得产物烘干，可得到高纯度碳化硅纳米棒。本发明制备出的碳化硅纳米棒为晶态的立方相e-sic，其表面形貌如图1,2所示。 本发明直接使用碳化硅粉末做原料，不使用任何其它前驱物和催化剂，将蒸发源和沉 积生长区分离，有效地避免了杂质和其它付产物地影响，获得的碳化硅纯度高，直径在15 30纳米，长度在1 2微米，显示了很好的尺寸均匀性，并且方法简单、易于 推广、适合大规模工业生产。
图1是本发明生长出的碳化硅纳米棒的XRD图谱。图2是本发明生长出的碳化硅纳米棒的扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例h以纯度99.5%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨柑埚中，在坩埚上 部距碳化硅粉物料35ram处放置收集升华产物的石墨毡，将坩埚放入一石墨加热筒中， 然后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，在生长炉内设有加热感应线圈，将 所述坩埚、沉积物收集器和包裹的石墨保温毡置入加热感应线圈中，再置入封闭的生长炉中，抽真空至10—3 Pa，然后充入高纯氩气至0. lMPa，缓慢升温至1800°C，在此温度后，抽系统的气压到100Pa，保温15小时后，停止加温使炉温冷至35°C以下的 室温，将坩埚上部的石墨毡取出，石墨毡集结有直径15 30纳米、长度约1 2微米 的白絮状沉积物即为本发明的的碳化硅纳米棒，收集石墨毡上所生长的白絮状沉积物 即可。实施例2:以纯度99.0%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，在坩埚上 部距碳化硅粉物料45mra处放置收集升华产物的钩网，将坩埚放入一石墨加热筒中，然 后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，在生长炉内设有加热感应线圈，将所述坩埚、沉积物收集器和包裹的石墨保温毡置入加热感应线圈中，再置入生长炉，抽 真空至l(T3pa，然后充以高纯氩气至0.09MPa，缓慢升温至1900°C，在此温度后，抽系统的气压到10Pa，保温20小时后停止加温，炉温冷却至40。C以下的室温时，将坩 埚上部的鸨网毡取出，收集钨阿上白絮状沉积物，之后将所收集白絮状沉积物浸入盐 酸浸泡20分钟，再置入蒸馏水中清洗20分钟，脱水后烘干，即为本发明的的碳化硅 纳米棒。实施例3:以纯度99.5%碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，在坩埚上部 距碳化硅粉物料55mm处放置收集升华产物的钨板一同置入生长炉，抽真空至8X10—4Pa，然后充以高纯氩气至0.07MPa，缓慢升温至1800°C，在此温度后，抽系统的气压到500Pa,保温25小时后停止加温，炉温冷却至40。C以下的室温时，将坩埚上部 的钩板毡取出，收集钨板上白絮状沉积物，即为本发明的的碳化硅纳米棒。 实施例4:以纯度99.2%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨柑埚中，在柑埚上 部距碳化硅粉物料35mm处放置收集升华产物的石墨毡，将坩埚放入一石墨加热筒中， 然后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，在生长炉内设有加热感应线圈，将 所述坩埚、沉积物收集器和包裹的石墨保温毡置入加热感应线圈中，再置入封闭的生长炉中，将生长炉抽真空至5X10—4 Pa，然后充以高纯氩气至0.08MPa，缓慢升温至2000°C，在此温度后，抽系统的气压到2000Pa，保温20小时后停止加温，至炉温冷 却至30。C以下的室温时，将坩埚上部的石墨毡取出，收集石墨毡上白絮状沉积物，将 所收集白絮状沉积物浸入盐酸中浸泡清洗20分钟，再置入蒸馏水中清洗10分钟，脱 水后烘千，即为本发明的的碳化硅纳米棒。 实施例5:以纯度99.6%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，在坩埚上 部距碳化硅粉物料35mm处放置收集升华产物的石墨毡，将柑埚放入一石墨加热筒中， 然后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，在生长炉内设有加热感应线圈，将 所述坩埚、沉积物收集器和包裹的石墨保温毡置入加热感应线圈中，再置入封闭的生长炉中，将生长炉抽真空至9X10一4 Pa，然后充以高纯氩气至0.075MPa，缓慢升温至2300°C，在此温度后，抽系统的气压到2000Pa，保温30小时后停止加温，至炉温冷却至25。C以下的室温时，将坩埚上部的石墨毡取出，收集石墨毡上白絮状沉积物，即 为本发明的的碳化硅纳米棒。实施例6:以纯度99.3%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，将坩埚放 入一石墨加热筒中，然后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，并在坩埚上部 距碳化硅粉物料60mm处放置收集升华产物的钽网置于生长炉内，将生长炉抽真空至10—3 Pa，然后充以高纯氩气至0.05MPa，缓慢升温至2300°C，在此温度后，抽系统的气压到2000Pa,保温28小时后停止加温，至炉温冷却至25°C以下的室温时，将坩埚 上部的钽网取出，收集钽网上白絮状沉积物，即为本发明的的碳化硅纳米棒。 实施例7:以纯度99.5%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，并在坩埚 上部距碳化硅粉物料60ram处放置收集升华产物的钽板置于生长炉内，将生长炉抽真空至7X10—4Pa，然后充以高纯氩气至0.085MPa，缓慢升温至2300°C，在此温度后，抽系统的气压到2000Pa，保温30小时后停止加温，至炉温冷却至25°C以下的室温时， 将坩埚上部的钽板取出，收集钽板上白絮状沉积物，即为本发明的的碳化硅纳米棒。 实施例8:以纯度99.5%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，并在坩埚 上部距碳化硅粉物料80mm处放置收集升华产物的钼网一同置入生长炉内。将生长炉抽真空至10—3 Pa，然后充以高纯氩气至0.095MPa，缓慢升温至2500°C，抽系统的气压到2000Pa，保温25小时后停止加温，至炉温冷却至30°C以下的室温时，将坩埚上部 的钼网取出，收集钼网上白絮状沉积物，将所收集白絮状沉积物浸入盐酸中浸泡清洗 20分钟，再置入蒸馏水中清洗10分钟，脱水后烘干，即为本发明的的碳化硅纳米棒。 实施例9:以纯度99.5%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，并在坩埚 上部距碳化硅粉物料80mm处放置收集升华产物的钼板一同置入生长炉内。将生长炉抽真空至10—3 Pa以下，然后充以高纯氩气至0.08MPa，缓慢升温至2500°C，抽系统的气压到2000Pa，保温18小时后停止加温，至炉温冷却至30°C以下的室温时，将埘埚 上部的钼板取出，收集钼板上白絮状沉积物，将所收集白絮状沉积物浸入盐酸中浸泡 清洗20分钟，再置入蒸馏水中清洗10分钟，脱水后烘干，即为本发明的的碳化硅纳米棒o实施例10:以纯度99.9%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，并在坩埚 上部距碳化硅粉物料100mm处放置收集升华产物的陶瓷板一同置入生长炉内。将生长炉抽真空至1(T3 Pa以下，然后充以高纯氩气至0.06MPa，缓慢升温至2500°C，抽系 统的气压到2000Pa，保温15小时后停止加温，至炉温冷却至30。C以下的室温时，将 坩埚上部的陶瓷板取出，收集陶瓷板上白絮状沉积物，将所收集白絮状沉积物浸入盐 酸中浸泡清洗10分钟，再置入蒸馏水中清洗10分钟，脱水后烘干，即为本发明的的 碳化硅纳米棒。 实施例lh以纯度98.5%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，并在坩埚 上部距碳化硅粉物料150mm处放置收集升华产物的陶瓷板一同置入生长炉内。将生长炉抽真空至8X10—4 Pa，然后充以高纯氩气至0.08MPa，缓慢升温至2300°C,抽系统的气压到1500Pa，保温20小时后停止加温，至炉温冷却至25。C以下的室温时，将坩 埚上部的陶瓷板取出，收集陶瓷板上白絮状沉积物，将所收集白絮状沉积物浸入盐酸 中浸泡清洗15分钟，再置入蒸馏水中清洗15分钟，脱水后烘干，即为本发明的的碳 化硅纳米棒。 实施例12:以纯度99.8%的碳化硅粉为原料，称取适量碳化硅粉放入石墨坩埚中，在坩埚上 部距碳化硅粉物料60mni处放置收集升华产物的陶瓷板，将坩埚放入一石墨加热筒中， 然后将整个石墨加热筒外部在包裹上石墨保温毡，在生长炉内设有加热感应线圈，将 所述坩埚、沉积物收集器和包裹的石墨保温毡置入加热感应线圈中，再置入封闭的生长炉中，抽真空至7X10—4 Pa，然后充入高纯氩气至O. llMPa，缓慢升温至2200°C，在此温度后，抽系统的气压到100Pa，保温30小时后，停止加温使炉温冷至20°C以 下的室温，将坩埚上部的陶瓷板取出，收集石墨毡上所生长的白絮状沉积物即可。
权利要求
1、一种升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于通过以下工艺过程实现的以碳化硅粉为生长原料，取碳化硅粉放入坩埚中，在坩埚上部距碳化硅粉物料30～300mm处放置沉积物收集器，所述沉积物收集器为至少有一个收集面的耐高温体，将上述坩埚及沉积物收集器置于10-3Pa以下真空环境中，然后充以氩气至大于10000Pa并升温至1800～2500℃，之后抽气降压至10000Pa以下并保温15-30小时进行升华沉积后，停止加温并使炉温冷却至常温，将坩埚上部沉积物收集器取出，收集沉积物收集器收集面上沉积的白色絮状物，即为碳化硅纳米棒。
2. 根据权利要求1所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述的沉 积物收集器为陶瓷材料、耐高温的金属材料制成的板或网、或者石墨毡中的一种。
3. 根据权利要求2所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述的金 属材料为钨、钜或钼的一种。
4. 根据权利要求l、 2或3所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述将上述坩埚及沉积物收集器置于10_3 Pa以下真空环境中，然后充以氩气的压力为7000CT100000 Pa。
5. 根据权利要求l、 2或3所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于 所述坩埚置于一感应线圈中，采用感应加热方式加热。
6. 根据权利要求4所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述坩埚 置于一感应线圈中，采用感应加热方式加热。
7. 根据权利要求l、 2或3所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于 所述的坩埚放入一石墨加热筒中进行。
8. 根据权利要求4所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述的埘 埚放入一石墨加热筒中进行。
9. 根据权利要求l、 2或3所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于 所述收集的沉积物用盐酸和蒸馏水清洗。
10. 根据权利要求4所述的升华法制备碳化硅纳米棒的方法，其特征在于所述收 集的沉积物用盐酸和蒸馏水清洗。
全文摘要
本发明公开了一种升华法制备碳化硅纳米棒的方法，是通过以下工艺过程实现的将碳化硅粉放入坩埚中，在坩埚上部30～300mm处放置沉积物收集器，置于10-3Pa以下真空环境中，再充以氩气至大于10000Pa并升温至1800～2500℃，之后抽气降压至10000Pa以下并保温15-30小时进行升华沉积。本发明制备出的碳化硅纳米棒为晶态的立方相β-SiC，其表面形貌如图1，2所示。本发明直接使用碳化硅粉末做原料，不使用任何其它前驱物和催化剂，将蒸发源和沉积生长区分离，有效地避免了杂质和其它付产物地影响，获得的碳化硅纯度高，直径在15～30纳米，长度在1～2微米，显示了很好的尺寸均匀性，并且方法简单、易于推广、适合大规模工业生产。
文档编号C01B31/36GK101402455SQ200810072958
公开日2009年4月8日 申请日期2008年9月22日 优先权日2008年9月22日
发明者李龙远, 简基康, 斌 陈, 陈小龙 申请人:新疆天科合达蓝光半导体有限公司