[发明专利]化学腐蚀法制备3C－SiC纳米颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种简单、廉价，可发射较强蓝光的3C-SiC纳米粒子的制备方法，尤其是制备粒径小于8纳米、具有较强蓝光发射性能的3C-SiC纳米颗粒的方法。

背景技术

碳化硅是第一元素半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料GaAs、GaP、和InP之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料。碳化硅不仅具有较大的带隙宽度(3C、4H、6H型碳化硅在室温下的带隙宽度分别为2.24、3.22、2.86eV)，而且具有高临界击穿电场、高热导率、高载流子漂移速度等特点，在高温、高频、大功率、光电子和抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。用碳化硅代替硅，制备光电器件与集成电路，可为军用电子系统和武器装备性能的提高，以及抗恶劣环境的电子设备提供新型器件。

对于全色显示来说，蓝光又是必不可少的成份。虽然3C-SiC具有较大的带隙宽度(2.24eV)，但其发光区域仍在绿光的范围内，并且由于碳化硅是一种间接带隙半导体材料，体材料的碳化硅材料在室温下的发光十分微弱。根据量子限制效应相关理论，小尺寸效应可导致激发和复合效率大大增强，所以当碳化硅的颗粒尺寸减小到纳米量级时，发光效率将得到极大提高，同时当尺寸减小到体材材料的玻尔激子半径以下时，纳米颗粒的带隙将会加宽，从而其发光将随颗粒尺寸减小而发生蓝移。所以制备小尺寸的碳化硅颗粒，可以实现其强蓝光发射，这将对微电子和光电子领域产生重要影响。此外，碳化硅具有相当好的生物兼容性，特别是与血液的兼容性，并且SiC的密度较小，化学稳定性较好，所以碳化硅纳米颗粒有望在生物医学领域得到广泛应用，如可以用作发光生物标签等。

以前碳化硅纳米颗粒的制备主要通过两种方法实现。第一种方法是通过各种化学反应生成碳化硅纳米颗粒，比如碳离子注入硅片[L.S.Liao，X.M.Bao，Z.F.Yang，andN.B.Min，Appl.Phys.Lett.66，2382(1995)]，碳离子和硅离子共溅射二氧化硅薄膜[J.Zhao，D.S.Mao，Z.X.Lin，B.Y.Jiang，Y.H.Yu，X.H.Liu，H.Z.Wang，and G.Q.Yang，Appl.Phys.Lett.73，1838(1998)]，C₆₀偶联多孔硅[X.L.Wu，G.G.Siu，M.J.Stokes，D.L.Fan，Y.Gu，and X.M.Bao，Appl.Phys.Lett.77，1292(2000)]等制备方法但这些方法都不能制备单一结构相、稳定的强蓝光发射的纳米颗粒。另一种方法是电化学腐蚀法，即用电化学法方法，腐蚀3C-SiC多晶片，再经超声振荡，得到悬浮于溶液的碳化硅纳米颗粒，能稳定发射强度较高的蓝光[X.L.Wu，J.Y.Fan，T.Qiu，X.Yang，G.G.Siu，and P.K.Chu，Phys.Rev.Lett.94，026102(2005)]，但这种方法制备过程相对复杂，更重要的是，SiC多晶片不仅价格昂贵，而且制备与购置都较困难。

发明内容

本发明的目的在于克服上述制备3C-SiC纳米颗粒的缺陷，提出一种简单、廉价的方法，尤其是制备粒径小于8纳米、具有较强蓝光发射性能的3C-SiC纳米颗粒的方法。

本发明的技术方案是：化学腐蚀法制备3C-SiC纳米颗粒的方法，用氢氟酸、硝酸的混和液腐蚀普通3C-SiC粉末，所述粉末尺寸最好为微米量级、此粉末无明显蓝光发射，普通化学腐蚀所用酸浓度为35％-45％的氢氟酸与60％-70％的硝酸，体积比为2.0-3.0∶1.0。反应时混和酸是3C-SiC粉末的5-15倍以上，加热至80℃-100℃，反应时间为0.5-2.0小时。冷却后将反应后的酸液与粉末一起在高速离心机中离心，倒除上层酸液，取下层粉末，在烘箱中70℃-90℃左右进行干燥。在干燥后的粉末中加入去离子水或无水乙醇，超声空化30-60分钟，静置数小时或离心沉淀去除下层沉淀物，取上层清液；此去离子水或无水乙醇清液中即含有尺寸小于8nm的3C-SiC纳米颗粒。

在溶液中能展示强蓝光发射的3C-SiC纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸小于8nm，平均颗粒尺寸为3.8nm左右，3C-SiC的玻尔半径R为2.7nm，显然，颗粒的平均半径小于R，所以在能导致良好表明钝化的溶液或薄膜中，其光致发光谱将出现量子限制效应。当激发光波长从320nm增加至440nm时，发射光的发光峰将从430nm增加到480nm。

本发明的优点在于制备方法简单，无需复杂的实验装置，实验材料廉价且较易获得，制备的碳化硅纳米颗粒的蓝光发射强且稳定。本发明的其他优点和效果将在下面继续描述。