[发明专利]一种CVD法合成氮化硅纳米环的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅纳米材料的制备方法，具体地说是一种CVD法合成氮化硅纳米环的方法。

背景技术

一维纳米材料是研究电子传输行为、光学特性和力学性能等物理性质的理想系统，它们在构筑纳米电子和光电子器件等集成线路和功能性元件的进程中充当着非常重要的角色，因此有关一维纳米材料的制备、物理性质和应用的研究异常活跃。目前，人们已在金属、氧化物、半导体以及聚合物等领域制备出多种形态的纳米结构，比如纳米线、纳米带、纳米环、纳米棒、纳米锯、纳米管、纳米棒阵列和核壳结构纳米电缆等，并研究了它们的发光、电传输、场发射和光电导性质。

氮化硅（Si₃N₄）是一种具有优越特性的宽带隙（E_g=5.3eV）半导体材料，类似于Ⅲ-Ⅵ族化合物氮化镓和氮化铝，可以获得较高的掺杂浓度，从而具备成为优良宿主材料的潜力，可应用于微电子和纳米光电子器件上。而且氮化硅还具有耐高温、高强度、高模量、低密度和抗氧化等优异性能。所以，近年来对氮化硅低维纳米结构的制备和对其光电性质的研究吸引了大家的关注。

纳米材料的物理化学性质与其成分、形状和尺寸有着密切的关系，具有特定形貌和可控维度的纳米结构是未来构建新型微纳光电子器件的基础。环状纳米结构因其独特的物理、化学性能以及在光、电、存储等领域的潜在应用价值而受到广泛的关注，而合成可用的纳米环是实现其应用的前提。迄今，人们已经制备出多种纳米环，如ZnO、GaN、AlN、ZnS、CdS纳米环等。采用的合成方法主要有热蒸发法、溶液法、水热法、模板法、分子束外延法等。

但关于合成氮化硅纳米环的研究还较少，目前有研究报道聚合物前驱体在催化剂的协助下，通过热裂解的方法可制备得到氮化硅纳米环，然而，这种方法存在一些缺点和局限性：（1）引入金属元素作为催化剂，给提纯造成较大难度；（2）制备过程繁杂，需要经过聚硅氮烷前驱体合成、固化交联、球磨、高温裂解四个步骤，成本较高。因此，发展工艺简单、普适的可控合成氮化硅纳米环的技术仍是十分必要的，对进一步拓展氮化硅材料的应用领域具有重要意义。

发明内容

本发明的目的就是提供一种CVD法合成氮化硅纳米环的方法，以解决采用现有方法制备氮化硅纳米环时因添加催化剂而造成后续提纯难度大以及制备过程繁琐的问题。

本发明是这样实现的：

CVD法合成氮化硅纳米环的方法包括如下步骤：

a、将硅粉和二氧化硅粉按摩尔比1:1混合均匀，得到混合粉料；

b、将混合粉料置于真空空间内，按气体流量体积比为1:5~5:1通入氮气和氨气作为氮化反应气体，所述氮化反应气体的气氛流量为50~200sccm；

c、升温至1200~1400℃并保温2~6h，制得氮化硅纳米环，自然冷却即可。

所述方法中，c步中升温速率优选为5－10℃/min。

所述方法中，步骤a中所述硅粉为200目或更细的硅粉。

所述方法中，所述二氧化硅粉的粒径优选为5~50μm。

所述方法中，所述步骤a中的硅粉粒径优选为0.3~5μm，通过干法或湿法球磨工艺获得。

所述湿法球磨工艺包括如下步骤：

a1、将200目硅粉置于行星式球磨机的不锈钢研磨罐中，在研磨罐中加入若干大小不同的不锈钢球；

a2、在研磨罐中加入无水乙醇，并使所述无水乙醇浸没硅粉和不锈钢球；

a3、启动行星式球磨机，使硅粉在研磨罐中湿磨48h；

a4、停止行星式球磨机，将湿磨后的硅粉取出并用0.1mol/L的稀盐酸润洗过滤；

a5、在60℃的烘箱中对润洗过滤后的硅粉进行烘干，制得所需硅粉。

所述干法球磨工艺包括如下步骤：

a1、将200目硅粉置于行星式球磨机的不锈钢研磨罐中，在研磨罐中加入若干大小不同的不锈钢球；

a2、向研磨罐中通入氩气；

a3、启动行星式球磨机，使硅粉在研磨罐中干磨48h；

a4、停止行星式球磨机，将干磨后的硅粉取出并用0.1mol/L的稀盐酸润洗过滤；

a5、在60℃的烘箱中对润洗过滤后的硅粉进行烘干，制得所需硅粉。

所述方法中，步骤a中二氧化硅粉通过溶胶-凝胶法而制得，具体步骤如下：

a1、将正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水和浓盐酸按照摩尔比1:4:4:0.05混合均匀，形成混合原料；