专利名称：一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法。
背景技术：
宽禁带(E>2. 3eV)的SiC是ー种间接带隙的宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、临界击穿电场大、电子饱和漂移速度快、介电常数小、抗辐射能力强、化学稳定性良好等显著优点，在光电子材料领域有巨大的应用价值。随着纳米科技的兴起，低维材料的光学、电学、力学和磁学等性质因维度和尺寸效应而表现出与块体材料不同的性质。SiC纳米线作为一种ー维半导体纳米材料，在光电子材料领域有着巨大的应用价值，已引起国内外研究学者的广泛关注。掺杂是提高间接带隙带半导体材料发光效率的ー种重要手段。但是，目前国内外研究者关于掺杂的SiC纳米线的制备方法报道较少。 文献I ,Controlled Al-Doped Single-Crystalline 6H_SiC Nanowires.Crysral Growth and Design, 5 (2008) :1461 1464”介绍了一种利用聚服娃烧和异丙醇铝为原料，以FeCl2为催化剂，采用聚合物热解法制备Al掺杂的SiC纳米线。该方法通过控制异丙醇铝的含量可以实现SiC纳米线中Al掺杂含量的控制。但该方法所用的聚合物先驱体(聚脲硅烷和异丙醇铝)价格昂贵以及催化剂的引入使制备的产品不纯，在很大程度上限制了该材料的广泛应用。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，解决现在技术中Al掺杂SiC纳米线的制备成本高以及制备的产品不纯等问题。技术方案一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于步骤如下步骤I :将质量百分比为70 85%的Si粉，5 15%的SiC粉，7 15%的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于松脂球磨罐中，进行球磨混合处理2 4h，得到混合的包埋粉料；步骤2 :将制备的包埋粉料的一半均匀铺满石墨坩埚底部，再放入C/C复合材料，再放入1/4的包埋粉料将C/C复合材料覆盖；所述C/C复合材料需经过打磨抛光后清洗，并烘干；步骤3 :将石墨坩埚放入石墨为发热体的立式真空炉中，对真空炉进行真空处理后，通Ar气至常压，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，得到的带有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料；整个过程中通氩气保护；步骤4 :将石墨粉均匀铺盖在石墨坩埚底部，再将步骤3得到的带有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料采用一束3k碳纤维捆绑，然后悬挂在坩埚内的石墨粉上方；
步骤5 :将石墨坩埚放入石墨为发热体的立式真空炉中，对真空炉进行真空处理后，通Ar至常压，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至1600 1800° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温；整个过程中通Ar保护；步骤6 :随后取出石墨坩埚，清理表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料上的碳纤维，得到表面的Al掺杂SiC纳米线。所述步骤3和步骤5中的真空处理是抽真空使得真空度达到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，当真空度无变化时证明系统密封完好结束。所述Si粉的纯度为99. 5%、粒度为300目。所述C粉的纯度为99%、粒度为320目。所述SiC粉的纯度为98. 5 %、粒度为300目。 所述Al2O3粉的纯度为分析纯、粒度为100 200目。所述石墨粉的纯度为98%、粒度为400目。有益效果本发明提出的一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，在无催化剂的条件下以反应烧结的硅基陶瓷和石墨粉为前驱体在硅基陶瓷表面大量合成的Al掺杂SiC纳米线。该方法可以低成本、高效地制备大量的高纯Al掺杂的SiC纳米线。本发明的有益效果该方法生产成本低、制备周期短，合成Al掺杂的SiC纳米线的产率和纯度高；此外，通过调整制备温度可以有效控制合成Al掺杂的SiC纳米线的形貌和尺寸。合成的纳米线主要由大量的直径变化的6H-SiC纳米线组成。纳米线的中心线或中心杆的直径分布在50 IOOnm范围内，中心线或中心杆上节点结构的直径分布在150 300nm范围内，且都是由Si、C、Al、0等四种元素组成。它们的长度可控，最长可以达到毫米数量级。
图I是发明实施例2所制备的Al掺杂碳化硅纳米SiC的XRD图谱；图2是发明实施例2所制备的Al掺杂碳化硅纳米带的SEM照片；图3是发明实施例2所制备的Al掺杂碳化硅纳米带的TEM照片；图4与图3发明实施例2相应的EDX图谱。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进ー步描述实施例I :将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水こ
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。分别称取75g的Si粉，15g的SiC粉，15g的C粉，IOg的Al2O3粉。置于松脂球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理2h，得到包埋粉料。将包埋粉料的一半放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入一半的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使粉料均匀地包埋C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入石墨作为发热体的立式真空炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通Ar气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至2200° C，升温速率为10° C/min，然后保温lh。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理粉料，得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料。称取IOg的石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在粉料表面的上方，然后将石墨坩埚放入真空反应炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通氩气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至1600° C，升温速率为5° C/min，然后保温3h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料上的碳纤维，得到表面大量的Al掺杂SiC纳米线。实施例2 将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水こ
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。分别称取78g的Si粉，IOg的SiC粉，Ilg的C粉，6g的Al2O3粉。置于松脂球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理3h，得到包埋粉料。将包埋粉料的一半放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入一半的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使粉料均匀地包埋C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入石墨作为发热体的立式真空炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通Ar气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至2100° C，升温速率为7° C/min，然后保温2h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理粉料，得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料。称取15g的石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在粉料表面的上方，然后将石墨坩埚放入真空反应炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通氩气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至1700° C，升温速率为7° C/min，然后保温2h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料上的碳纤维，得到表面大量的Al掺杂SiC纳米线。由图I可见，合成的纳米线主要由6H-SiC纳米线组成。由图2可见，合成的SiC纳米线是由大量的直径变化的纳米线构成。纳米线的中心线或中心杆的直径分布在50 IOOnm范围内，中心线或中心杆上节点结构的直径分布在150 300nm范围内。由图3可见，制备的纳米线是实心结构，且它的中心线或中心杆及其上面的节点结构都是由Si、C、Al、O等四种元素組成。
实施例3 将C/C复合材料分别用400号、800号和1000号的砂纸依次打磨抛光后用无水こ
醇洗涤干净，于烘箱中烘干备用。
分别称取85g的Si粉，5g的SiC粉，7g的C粉，3g的Al2O3粉。。置于松脂球磨罐中，取不同数量不同直径的玛瑙球放入球磨罐中，在行星式球磨机上进行球磨混合处理4h，得到包埋粉料。将包埋粉料的一半放入石墨坩埚，放入制备好的C/C复合材料，再放入一半的包埋粉料，轻微的摇晃坩埚，使粉料均匀地包埋C/C复合材料，然后将石墨坩埚放入石墨作为发热体的立式真空炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通Ar气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至2000° C，升温速率为5° C/min，然后保温3h。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通Ar保护。随后取出坩埚，清理粉料，得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料。称取20g的石墨粉放入石墨坩埚中，使其均匀铺放在坩埚底部，再将得到表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料用一束3K碳纤维捆绑后悬挂在粉料表面的上方，然后将石 墨坩埚放入真空反应炉中。抽真空30min后使真空度达到-O. 09MPa，保真空30min，观察真空表指示是否变化，如无变化，说明系统密封完好。通氩气至常压。此过程重复三次。之后将炉温升至1800° C，升温速率为10° C/min，然后保温lh。随后关闭电源自然冷却至室温，整个过程中通氩气保护。随后取出石墨坩埚，清理表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料上的碳纤维，得到表面大量的Al掺杂SiC纳米线。所有实施例中，Si粉的纯度为99. 5%、粒度为300目，C粉的纯度为99%、粒度为320目，Al2O3粉的纯度为分析纯、粒度为100 200目，石墨粉的纯度为98 %、粒度为400目。
权利要求
1.一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于步骤如下 步骤I :将质量百分比为70 85 %的Si粉，5 15 %的SiC粉，7 15 %的C粉和3 10%的Al2O3粉，置于松脂球磨罐中，进行球磨混合处理2 4h，得到混合的包埋粉料； 步骤2 :将制备的包埋粉料的一半均匀铺满石墨坩埚底部，再放入C/C复合材料，再放入1/4的包埋粉料将C/C复合材料覆盖；所述C/C复合材料需经过打磨抛光后清洗，并烘干; 步骤3 :将石墨坩埚放入石墨为发热体的立式真空炉中，对真空炉进行真空处理后，通Ar气至常压，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至2000 2200° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温，得到的带有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料；整个过程中通氩气保护； 步骤4:将石墨粉均匀铺盖在石墨坩埚底部，再将步骤3得到的带有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料采用一束3k碳纤维捆绑，然后悬挂在坩埚内的石墨粉上方； 步骤5 :将石墨坩埚放入石墨为发热体的立式真空炉中，对真空炉进行真空处理后，通Ar至常压，以5 10° C/min升温速度将炉温从室温升至1600 1800° C，保温I 3h ;随后关闭电源自然冷却至室温；整个过程中通Ar保护； 步骤6 :随后取出石墨坩埚，清理表面含有硅基陶瓷涂层的C/C复合材料上的碳纤維，得到表面的Al掺杂SiC纳米线。
2.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述步骤3和步骤5中的真空处理是抽真空使得真空度达到-O. 09MPa，然后保真空30min以上，当真空度无变化时证明系统密封完好结束。
3.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述Si粉的纯度为99. 5%、粒度为300目。
4.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述C粉的纯度为99%、粒度为320目。
5.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述SiC粉的纯度为98. 5%、粒度为300目。
6.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述Al2O3粉的纯度为分析纯、粒度为100 200目。
7.根据权利要求I所述制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，其特征在于所述石墨粉的纯度为98%、粒度为400目。
全文摘要
本发明涉及一种制备Al掺杂的碳化硅纳米线的方法，技术特征在于在无催化剂的条件下以反应烧结的硅基陶瓷和石墨粉为前驱体在硅基陶瓷表面大量合成的Al掺杂SiC纳米线。本方法低成本、高效地制备大量的高纯Al掺杂的SiC纳米线。此外，通过调整制备温度可以有效控制合成Al掺杂的SiC纳米线的形貌和尺寸。合成的纳米线主要由大量的直径变化的6H-SiC纳米线组成。纳米线的中心线或中心杆的直径分布在50～100nm范围内，中心线或中心杆上节点结构的直径分布在150～300nm范围内，且都是由Si、C、Al、O等四种元素组成。它们的长度可控，最长可以达到毫米数量级。
文档编号B82Y30/00GK102701207SQ20121020634
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者付前刚, 李克智, 李贺军, 李露, 褚衍辉 申请人:西北工业大学