專利名稱：一種制備Si₃N₄納米線的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備Si3N4納米線的方法。
背景技術：
氮化硅作為高溫材料具有特殊的優點，在高溫下仍保持高的機械強度，具有耐熱沖擊、耐腐蝕、熱膨脹系數小、化學穩定性高、電絕緣性好及中等熱傳導性等優良性能。而且氮化硅是一種寬禁帶半導體材料，禁帶寬度達5. 3eV，可以通過適當摻雜引入雜質能級提高半導體性能，可用于制造量子阱。一維氮化硅納米材料在機械、化學及高溫核輻射環境下的微電子和光學方面具有廣泛應用前景，值得深入研究。氮化硅的折射率比較大，對光有較強的約束作用從而具有較好的光導性。 傳統氮化硅由大顆粒、多相粉體燒結制成，因而脆性大，均勻性差，可靠性低，韌性和強度很差，在應用上受到了較大的限制。利用納米技術開發的納米氮化硅陶瓷材料的顯微結構中，晶粒晶界及它們之間的結合尺寸都處在納米水平(I lOOnm)，使得材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要影響，為替代工程陶瓷的應用開拓了新領域。納米氮化硅具有以下的特性極小的粒徑，很大的比表面積和較高的化學性能，可以顯著提高氮化硅的燒結致密化程度，降低燒結溫度，節約能源；使氮化硅的組成結構均勻化，改善材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結構層次上控制材料的成分和結構，有利于充分發揮陶瓷材料的潛在性能。另外，由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒制收縮一致且晶粒均勻長大，顆粒越小時所產生的微觀缺陷越小，所制備的材料的強度就相應越高，這樣就能有效地克服脆性，提高柔韌性和可加工性倉泛。納米氮化硅具有兩種晶型亞穩的低溫相六方a-Si3N4和穩定的高溫相六方β -Si3N4。氮化硅是一種寬帶隙(5. 3eV)半導體材料，其帶隙中間能級可以通過摻雜而調整以滿足不同電學/光學性質的要求。此外，納米材料的表面效應和量子尺寸效應還導致氮化硅粉體紅外吸收光譜和拉曼光譜的藍移和/寬化現象。氮化硅由于具有如此優異的物理化學性能，近幾十年特別是近二十年來，引起了世界各國科學家和工程師對其制備方法的不懈探索。然而，受制備和加工方法的限制，氮化硅陶瓷的全面使用顯然受到了很大的限制。鑒于此，世界各國都在努力尋求經濟的合成方法，這些工作主要包括硅粉直接氮化法、碳熱還原法、齒化硅氨解法、制備前驅體法、化學復分解法、原位合成法、硅合金氨解法等(這是按照合成所用原料的不同來劃分的)，現分別介紹如下I、硅粉直接氮化法主要是指純凈硅粉在氮氣、氨氣的還原性氣氛中發生反應，生成氮化娃微粉。2、碳熱還原法是指二氧化硅和碳的粉末在高溫下的氮氣氣氛中發生氮化和還原反應，生成微粉Si3N4。
3、齒化娃氨解法娃的齒化物或娃的氫齒化物與氨氣或者氮氣發生化學氣相反應生成氮化硅。4、制備前驅體等其它方法制備前驅體法是指先由氮源和硅源反應生成一種比較容易分解的前驅體，再由前驅體在比較溫和的條件下分解產生氮化硅微粉。國際上研發制備氮化硅粉末的代表性工作是美國Dow Chem. Co.(陶式化學)開發的SiO2碳熱還原氮化法和國際上普遍采用的硅粉直接氮化法。國際上大的生產廠家有starck(德)，AME(英)和日本電工等廠商。兩種工藝都需要很長的氮化時間，一般為每周期72h。所制備的氮化硅粉末價格也較高。近年來。國內許多單位開發的制備納米氮化硅粉末的等離子體法由于產品價格和產量規模的原因，。尚不具備形成較大產業的可能性。為了降低成本，減少反應時間就顯得非常重要，因為這對于產業化是非常重要的
發明內容

針對上述現有技術，本發明提供了一種新采用磁控濺射及熱蒸發法制備氮化硅納米線的方法。本發明是通過以下技術方案實現的一種制備Si3N4納米線的方法，步驟如下(I)制備派有Pt薄膜的娃襯底使用磁控派射儀在娃片上制備厚度為10 50nm的Pt薄膜；(2)氮化硅納米線的合成將上述濺射好的附有Pt薄膜的硅襯底放在石英管式爐中進行氮化硅納米線的合成，實驗條件為爐溫為900 1200°C，工作氣體為硅烷和氮氣，硅烷和氮氣的氣體流量比為1:1 1:5，流量為300ml/min 1000ml/min，反應時間為30 120分鐘；反應結束后，待溫度降至室溫，取出樣品發現在襯底表面均有白色絮狀物質生成，即得氮化硅納米線。所述步驟(I)具體如下使用磁控濺射儀進行制備，基片為Si片，濺射用靶是純度為99. 99%的Pt靶，系統背景真空度為I. 9X 10_3Pa，工作氣體是純度為99. 999%的高純氬氣，工作氣壓為3Pa ;室溫下濺射，將Pt濺射到襯底上，Pt薄膜厚度為10 50nm。用掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射譜(XRD)對所制備產物的表面形貌和成份進行表征和分析，測試結果說明所制備的產物為β-Si3N4納米線，納米線直徑在50 IOOnm之間，線的長度達到lym。本發明的制備Si3N4納米線的方法，所得到的β -Si3N4納米線具有純度高、結晶性好、表面光滑等特點。


圖I :制備樣品的SEM圖。圖2 :制備納米線的XRD圖譜。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作進一步的說明。實施例I制備Si3N4納米線
步驟如下(I)制備濺有Pt薄膜的硅襯底使用磁控濺射儀進行制備，基片為Si片，濺射用靶是純度為99. 99%的Pt靶，系統背景真空度為I. 9 X 10 ,工作氣體是純度為99. 999%的高純氬氣，工作氣壓為3Pa ;室溫下濺射，將Pt濺射到襯底上，Pt薄膜厚度為10 50nm。(2)氮化硅納米線的合成將上述濺射好的附有Pt薄膜的硅襯底放在石英管式爐中進行氮化硅納米線的合成，實驗條件為爐溫為900 1200°C，工作氣體為硅烷和氮氣，硅烷和氮氣的氣體流量比為1:1 1:5，流量為300ml/min 1000ml/min，反應時間為
30 120分鐘；反應結束后，待溫度降至室溫，取出樣品發現在襯底表面均有白色絮狀物質生成，即得氮化硅納米線。用掃描電子顯微鏡(SEM)(如圖I所示)和X射線衍射譜(XRD)(如圖2所示)對所制備產物的表面形貌和成份進行表征和分析，測試結果說明所制備的產物為β -Si3N4納 米線，納米線直徑在50 IOOnm之間,線的長度達到I μ m。根據以上測試結果可知，本發明的制備Si3N4納米線的方法，所得到的β -Si3N4納米線具有純度高、結晶性好、表面光滑等特點。
權利要求
1.一種制備Si3N4納米線的方法,其特征在于步驟如下 (1)制備濺有Pt薄膜的硅襯底使用磁控濺射儀在硅片上制備厚度為10 50nm的Pt薄膜； (2)氮化硅納米線的合成將上述濺射好的附有Pt薄膜的硅襯底放在石英管式爐中進行氮化硅納米線的合成，實驗條件為爐溫為900 1200°C，工作氣體為硅烷和氮氣，硅烷和氮氣的氣體流量比為1:1 1:5，流量為300ml/min 1000ml/min，反應時間為30 120分鐘；反應結束后，即得氮化硅納米線。
2.根據權利要求I所述的一種制備Si3N4納米線的方法，其特征在于所述步驟(I)具體如下使用磁控濺射儀進行制備，基片為Si片，濺射用靶是純度為99. 99%的Pt靶，系統背景真空度為I. 9X 10_3Pa，工作氣體是純度為99. 999%的高純氬氣，工作氣壓為3Pa ;室溫下濺射，將Pt濺射到襯底上，Pt薄膜厚度為10 50nm。
全文摘要
本發明公開了一種制備Si3N4納米線的方法，步驟如下(1)制備濺有Pt薄膜的硅襯底使用磁控濺射儀在硅片上制備厚度為10～50nm的Pt薄膜；(2)氮化硅納米線的合成將上述濺射好的附有Pt薄膜的硅襯底放在石英管式爐中進行氮化硅納米線的合成，實驗條件為爐溫為900～1200℃，工作氣體為硅烷和氮氣，硅烷和氮氣的氣體流量比為1:1～1:5，流量為300ml/min～1000ml/min，反應時間為30～120分鐘；反應結束后，即得氮化硅納米線。本發明所得到的β-Si3N4納米線具有純度高、結晶性好、表面光滑等特點，納米線直徑在50～100nm之間，線的長度達到1μm。
文檔編號B82Y40/00GK102897726SQ201210447800
公開日2013年1月30日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者李玉國, 王宇, 方香, 卓博世, 彭瑞芹, 張曉森 申請人:山東師范大學