专利名称：硅化铁纳米线的制备方法
技术领域：
本发明涉及纳米材料的制备方法，尤其涉及一种硅化铁纳米线的制备方法。
背景技术：
半导体工业的发展方向是更小、更快、更低能耗。然而，从微米电子时 代进入纳米电子时代之后，传统的半导体制造技术-光刻工艺("自上而下" 的技术)显得越来越难以满足现在和未来的要求。由此，"自下而上，，的技术， 或称为自组装技术被认为是未来发展的趋势。目前，人们已经利用这种自组 装技术合成了各种纳米结构，包括纳米线、纳米管，其潜在的应用领域包括 纳米电子、纳米光学、纳米感测器等。硅化铁纳米线(FeSi nanowires)是一种窄禁带半导体，且具有独特的磁学 性能，在自旋电子学领域有着广泛的应用前景(请参见，Vapor-Phase Synthesis and Characterization of s國FeSi nanowires, Advanced Material, Vol 18, P1437画1440 (2006))。
现有技术提供一种硅化铁纳米线的制备方法，其具体包括以下步骤提 供一硅片作为生长基底；将该生长基底置入管式炉中的瓷舟内；将一定量的
三氯化铁(FeCl3)粉体(沸点为319°C)置入瓷舟内，且该三氯化铁粉体位于 瓷舟内的靠近入气口一侧；向该管式炉中通入氮气，同时加热该管式炉至生 长温度，蒸发的三氯化铁被氮气带到生长基底上方，并于生长基底接触，发 生反应，长出硅化铁纳米线。该硅化铁纳米线无序分布在生长基底表面，且 其沿着[lll]方向生长。
然而，采用上述方法制备硅化铁纳米线，由于三氯化铁与硅的反应不易 发生，所以通常需要较高的生长温度， 一般生长温度在1100。C以上。因此，
不利于节省能源以及大规模生产。其次，采用该方法只能在硅片上生长硅化 铁纳米线，限制了其应用范围。
有鉴于此，确有必要提供一种可以在较低温度下，且可以在不同生长基底上生长硅化铁纳米线的方法。
发明内容
一种硅化铁纳米线的制备方法，其具体包括以下步骤提供一生长装置， 且该生长装置包括一加热炉以及一反应室；提供一定量的铁粉与一生长基底， 并将该铁粉与生长基底间隔置入反应室内；向反应室通入硅源气体，并加热 至600 1200。C ，在生长基底上生长得到硅化铁纳米线。
相对于现有技术，本发明提供的制备硅化铁纳米线的方法中，由于铁元 素具有较强的还原性，铁粉与硅源气体的反应容易发生，所以可以在较低的 生长温度下生长硅化铁纳米线。因此，有利于节省能源，减低制备成本，实 现大规模生产。而且，本发明还可以在不同生长基底上生长硅化铁纳米线， 扩大其应用范围。
图l为本技术方案实施例的硅化铁纳米线的制备方法流程图。 图2为本技术方案实施例制备硅化铁纳米线的装置的结构示意图。 图3为本技术方案实施例制备的硅化铁纳米线团簇的扫描电镜照片。 图4为本技术方案实施例制备的硅化铁纳米线的扫描电镜照片。 图5为本技术方案实施例制备的硅化铁纳米线的透射电镜照片。 图6为本技术方案实施例制备的硅化铁纳米线的X射线衍射图谱。
具体实施例方式
以下将结合附图对本技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图1及图2，本技术方案实施例提供一种硅化铁纳米线的制备方法， 其具体包括以下步骤
步骤一，提供一生长装置30,且该生长装置30包括一加热炉302以及一反 应室304。
本实施例中，所述反应室304优选为一石英管，其两端分别具有一入气口 306和一出气口 308。该石英管置于加热炉302内可移动，且其长度比加热伊302 长，这样使得在实验中推、拉移动石英管时，总能保持石英管有一部分可以置于加热炉302的内部。
该反应室304内还包括一承载装置310，该承载装置310为一高熔点的容 器。本实施例中，承载装置310优选为一陶瓷反应舟，该陶瓷反应舟的形状不 限，其大小可以根据反应室304的大小而选择。
步骤二，提供一定量的铁粉314与一生长基底312,并将该铁粉314与生长 基底312间隔置入反应室3 04内。
在使用前，先将该铁粉314置入稀释的酸性溶液中浸泡2 10分钟，除去 铁粉314的表面氧化层与杂质。本实施例中，酸性溶液优选为稀释的盐酸溶液。 采用稀释的盐酸溶液浸泡铁粉314,不但可以除去铁粉314的表面氧化层与杂 质，还可以在铁粉314表面形成一铁的氯化物层。由于铁的氯化物容易蒸发， 所以提高了铁粉314的表面活性。
然后，将该铁粉314平铺在承载装置310底部形成一定量的铁粉层，其厚 度为l微米 3毫米。该铁粉314纯度为99.9%。
最后，降所述生长基底312置入反应室304内。该生长基底312可以置于承 载装置310正上方或置于承载装置310与出气口308之间。如果承载装置310足 够大，还可以将铁粉314与生长基底312均置于承载装置310内，且生长基底312 位于靠近出气口308—側。本实施例中，优选地，将生长基底312放置于承载 装置310正上方。
所述生长基底312可以为一非金属耐高温材料。如硅片、石英片、蓝宝 石或玻璃等。本实施例中，生长基底312优选为一硅片。
步骤三，通入珪源气体，并加热反应室304至生长温度进行反应，生长硅 化铁纳米线。
该生长硅化铁纳米线的步骤具体包括以下步骤
首先，通过入气口306通入保护气体，用以将反应室304内的空气排出， 同时形成气流方向318乂人入气口 306到出气口 308。
通入保护气体的流量为200~2000毫升/分。所述的保护气体为氮气或惰性 气体，本实施例优选的保护气体为氩气。
其次，加热反应室304，并通入氬气。
当向反应室304通入保护气体将反应室304内的空气排出后，继续通入保 护气体，使反应室304内压强保持为1 15托。然后对反应室304进行加热至800°C,升温速度为20"C/分钟。同时，向反应室304通入氢气。所述氢气的纯度 大于99.99%。所述氢气流量为20~ 1000毫升/分。通入氢气的时间为10~20分钟， 其作用是对铁粉314表面的氧化铁进行还原。 再次，向反应室304通入石圭源气体。
通入氢气约10分钟后，继续通入氬气，同时通入硅源气体。其中，硅源 气体为硅烷类的衍生物气体，卣化硅，卣硅烷等，所述硅源气体的流量为 10 1000毫升/分。本实施例中，优选四氯化硅(SiCU)气体作为硅源气体，其 流量优选为100毫升/分。该保护气体与硅源气体以及氬气可以通过连接入气 口 306的同 一 阀门或不同阀门控制通入。
最后，调节反应室304至生长温度进行反应，生长硅化铁纳米线。
所述生长温度为600 1200。C。整个生长过程中，反应室304内气压保持 在卜20托。生长硅化铁纳米线的时间约为10 90分钟。所述硅源气体与铁粉 314以及氢气发生反应，并在生长基底312上生长珪化铁纳米线。可以理解， 本实施例中还可以不通入氢气，直接通入硅源气体与铁粉314反应，在生长基 底312上生长硅化4失纳米线。本实施例中，还可以先对反应室304进^亍加热， 再通入氢气及石圭源气体，或在加热反应室304的同时，通入氢气及石圭源气体。
请参阅图3,为本实施例在800°C条件下制备的硅化铁纳米线团簇的扫描 电镜照片。请参阅图4，为本实施例在80(TC条件下制备的硅化铁纳米线的扫 描电镜照片。所述硅化铁纳米线无规则的分布在生长基底312表面，其直径为 10 500纳米，长度为100纳米 100孩i米。参阅图5，该石圭化铁纳米线的扫描电 镜照片表明其沿[110]方向生长。该硅化铁纳米线是一种窄禁带半导体，且具 有独特的磁学性能，在自旋电子学领域有着广泛的应用前景。可以用来制作 自旋电子器件。
请参阅图6，为本实施例在800°C条件下制备的硅化铁纳米线的X射线衍 射图谱。射线衍射结果表明，当生长温度低于1000。C时，制备的硅化铁纳米 线包括Fe3Si与FeSi两相。这是因为，硅源气体与铁粉314以及氢气发生反应 后很容易形成Fe3Si相的化合物。但是，这种Fe3Si相的化合物中，Fe原子很容 易扩散到Fe3Si的晶格表面，与硅源气体以及氢气发生反应，长出硅化铁纳米 线。当生长温度高于100(TC后，Fe3Si相的微晶须状化合物中的Fe原子基本全 部扩散到Fe3Si的晶格表面，与硅源气体以及氢气发生反应，长出硅化铁纳米线，所以制备的硅化铁纳米线中已经基本上为FeSi相，而没有Fe3Si相的化合 物了。
本实施例提供的制备硅化铁纳米线的方法中，由于铁元素具有较强的还 原性，铁粉314与硅源气体的反应容易发生，所以可以在较低的生长温度下生 长硅化铁纳米线。因此，有利于节省能源，减低制备成本，实现大规模生产。围。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依 据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
1.一种硅化铁纳米线的制备方法，其具体包括以下步骤提供一生长装置，且该生长装置包括一加热炉以及一反应室；提供一定量的铁粉与一生长基底，并将该铁粉与生长基底间隔置入反应室内；向反应室通入硅源气体，并加热至600～1200℃，在生长基底上生长得到硅化铁纳米线。
2. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述铁粉在 使用前先用稀释的酸性溶液浸泡2 10分钟。
3. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述生长基 底为一^e圭片、石英片、蓝宝石或JE皮璃。
4. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述反应室 包括一入气口与一出气口 ，且该生长基底置于铁粉正上方或置于铁粉与 出气口之间。
5. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，向反应室通 入石圭源气体前，先向反应室通入流量为20~1000毫升/分的氩气。
6. 如权利要求5所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，向反应室通 入氢气前，先向反应室通入流量为200 2000毫升/分的保护气体。
7. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述硅源气 体的流量为10~1000毫升/分。
8. 如权利要求7所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述硅源气 体包括卣化硅、硅烷及其衍生物、卣硅烷中的一种或多种。
9. 如权利要求8所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，所述硅源气 体为四氯化珪。
10. 如权利要求l所述的硅化铁纳米线的制备方法，其特征在于，该方法制备 的珪化铁纳米线的直径为10~500纳米，长度为100纳米 100微米。
全文摘要
一种硅化铁纳米线的制备方法，其具体包括以下步骤提供一生长装置，且该生长装置包括一加热炉以及一反应室；提供一定量的铁粉与一生长基底，并将该铁粉与生长基底间隔置入反应室内；向反应室通入硅源气体，并加热至600～1200℃，在生长基底上生长得到硅化铁纳米线。
文档编号B82B3/00GK101549869SQ200810066399
公开日2009年10月7日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者姜开利, 孙海林, 李群庆, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司