一種制備3C-SiC納米盤、制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳化硅碳納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種制備不同直徑和高度3C-SiC納米盤的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)是第三代半導體的核心材料之一，與第一元素半導體材料(Si)和第二化合物半導體材料GaAs、GaP和InP相比，它具有很多優(yōu)點。碳化硅不僅具有較大的帶隙寬度(3C、4H、6H型碳化硅在室溫下的帶隙寬度分別為2.34,3.22,2.86eV)，而且具有高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子漂移速度等特點，在高溫、高頻，大功率，光電子和抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。用碳化硅取代硅，制備光電器件和集成電路，可為軍用電子系統(tǒng)和武器裝備性能的提高，以及抗惡劣環(huán)境的電子設(shè)備提供新型器件。
[0003]對于全色顯示來說，藍光是必不可少的成分。雖然3C_SiC具有較大的帶隙寬度(2.24eV)，但其發(fā)光區(qū)域仍在藍光范圍內(nèi)，并且碳化硅是一種間接帶隙半導體材料，體材料的碳化硅在室溫下的發(fā)光非常微弱。根據(jù)量子限制相關(guān)理論，小尺寸效應(yīng)可導致激發(fā)和復(fù)合效率大大增強，所以當碳化硅的顆粒尺寸減小到納米量級時，發(fā)光效率將得到極大提高。同時當尺寸減小到體材料的波爾激子半徑以下時，納米顆粒的帶隙將會加寬，從而其發(fā)光將隨顆粒尺寸減小而發(fā)生藍移。所以制備小尺寸的碳化硅顆粒，可以實現(xiàn)其強藍光發(fā)射，這將對微電子和光電子領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。此外，碳化硅具有相當好的生物兼容性，特別是與血液的兼容性，并且SiC密度較小，化學穩(wěn)定較好，所以碳化硅納米顆粒有望在生物醫(yī)學、電化學領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如可以用作發(fā)光生物標簽、光解水的表面催化劑。近年來研宄表明，3C-SiC納米顆粒對腫瘤細胞具有選擇性的生物毒性，3C-SiC納米顆?；∧さ目烧{(diào)致發(fā)光能使其成為下一次光電器件的候選材料。
[0004]制備碳化硅主要通過兩種方式實現(xiàn):第一種是通過各種化學反應(yīng)生成碳化硅納米顆粒，比如離子注入硅片，碳離子和硅離子共濺射二氧化硅薄膜，C60歐聯(lián)多孔硅等制備方法但這些方法都不能制備單一相、穩(wěn)定強藍光發(fā)射的納米顆粒。另外一種方法是電化學腐蝕法，即用電化學方法，腐蝕3C-SiC多晶片，再經(jīng)過超聲震蕩，得到懸浮于溶液的碳化硅納米顆粒，能穩(wěn)定發(fā)射強度較高的藍光。但這種方法制備過程復(fù)雜，獲得SiC顆粒往往尺寸大于20nm。此外，3C_SiC多晶片不僅價格昂貴，而且制備和購置都較困難。
[0005]納米顆粒由于其尺寸較小，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)都相當復(fù)雜，其表面態(tài)和缺陷態(tài)都對它的發(fā)光性質(zhì)有很大的影響，這使得對3C-SiC納米顆粒的發(fā)光很難控制，在應(yīng)用上就有了很大困難。目前，還沒有熱絲CVD制備SiC納米材料的報道，更沒有一種方法能夠制備出高度在5nm以下，尺寸均一的3C-SiC納米顆粒的技術(shù)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種用熱絲CVD(hot filament chemical vapordeposit1n)的、操作簡單、制備周期短、可大面積制備、高質(zhì)量、可重復(fù)操作的3C_SiC納米盤制備工藝。
[0007]3C-SiC納米顆粒，其特征在于，所述的SiC納米顆粒為圓盤型，直徑為5-30nm，高度為1.5-5nm，為三方晶系。
[0008]本發(fā)明是通過一下方案實現(xiàn)的，包括以下步驟:
[0009](I)將硅片分別經(jīng)過甲醇、丙酮和異丙酮超聲清洗，N2吹干，通過電子束蒸發(fā)系統(tǒng)(E-Beam Evaporator)依次在娃片表面蒸鍍8_12nm厚度的Al2O3和0.7-1.2nm厚度Fe ；
[0010](2)單壁碳納米管陣列垂直生長:設(shè)置爐溫為700-800 °C，總氣體流量為:H2:200土 lOsccm、C2H2: 2±0.5sccm 和通過去離子水的 H2為 200土 lOsccm，總氣壓為25±lTorr，熱絲為單根鎢絲，功率為30-35W;將步驟(I)中制得的鍍層的硅片置于鎢絲前方0.3-0.5cm(優(yōu)選0.5cm)，鎢絲與硅片平行，使得氣流經(jīng)過熱鎢絲與硅片上的鍍層反應(yīng)，反應(yīng)30s后將鎢絲功率設(shè)置為0，總氣壓調(diào)節(jié)為6.4Torr,反應(yīng)15min后完成單壁碳納米管垂直陣列生長；
[0011](3)通過電子束蒸發(fā)系統(tǒng)(E-beam Evaporat1n)在步驟(2)所獲得的單壁碳納米管垂直陣列的頂層蒸鍍3-10nm厚的Si層；
[0012](4)在爐溫850°C下，總氣體流量為H2:200sccm、CH4:0.5sccm、通過去離子水的H2為200sccm，氣壓為25Torr，熱絲為四根鎢絲，總功率為75-80W條件下，將步驟(3)中制得蒸鍍有Si層的碳納米管垂直陣列平行置于鎢絲正下方，反應(yīng)2-6h后在單壁碳納米管陣列的頂層完成3C-SiC納米盤的制備；
[0013](5)將(4)中制得3C_SiC納米盤，將單壁碳納米管陣列和其頂層的3C_SiC納米盤一起從硅片上刮下、稱量，添加三氯甲烷配置成溶液，優(yōu)選每mg單壁碳納米管陣列和其頂層的3C-SiC納米盤對應(yīng)15ml三氯甲烷；將溶液在冰水下，分別采用尖端超聲(tipsonicat1n)、水浴超聲，離心分離，移去溶液頂層的碳納米管，即得到3C_SiC納米盤的懸浮液。
[0014]本發(fā)明所使用的CVD爐為熱絲-CVD爐，所用熱絲為鎢絲。鎢絲直徑0.2-0.3mm，長度為8-12_，可更改為一根，或四根。更改為四根時，四根鎢絲水平、平行一排分開放置。上述步驟(2)中蒸鍍的Si沒有具體限制，但優(yōu)選為3-10nm。
[0015]與現(xiàn)有工藝相比，本發(fā)明工藝的明顯優(yōu)點:
[0016](I)本工藝制備的3C-SiC納米盤直徑約為5-30nm，高度約為1.5_5nm，尺寸均一，并且直徑、高度可調(diào)控。無團聚，晶化程度高，缺陷較少，無雜質(zhì)。在光激發(fā)下，制得的3C-SiC納米顆粒在波長415-495nm的紫-藍-藍綠光范圍內(nèi)具有較強且穩(wěn)定的光發(fā)射，其發(fā)光波長可由激發(fā)光波長控制。
[0017](2)本工藝氣體原料為普通實驗氣體，對氣體要求寬松，大大降低制備成本。所需儀器簡單，僅需要電子束蒸發(fā)系統(tǒng)、熱絲CVD爐。不需要特殊氣氛、壓強環(huán)境，只需在低壓、還原氣氛即可完成3C-SiC納米顆粒制備，工藝簡化，具有樣品均勻，制備周期短，制備效率尚的優(yōu)點。
[0018](3)應(yīng)用本工藝所制備的3C_SiC納米盤操作簡單，只需在制備碳納米管垂直陣列和制備3C-SiC納米盤前調(diào)節(jié)好氣體流量、氣壓。3C-SiC納米盤制備過程中不調(diào)節(jié)任何參數(shù)。
[0019](4)本工藝相對于現(xiàn)有工藝，只需將含Si的單壁碳納米管垂直陣列經(jīng)過850°C — 次處理，制備時間短，溫度低，大大降低能耗。
【附圖說明】
[0020]圖la，b是實施例1制備碳納米管垂直陣列/3C_SiC納米盤的SEM圖；b是a方框中的放大圖；
[0021]圖2a_d是實施例1碳納米管垂直陣列/3C_SiC納米盤的XPS圖譜，其中圖2a為全譜掃描；
[0022]圖2b-d分別為Cls, Ols，Si2p峰的掃描；
[0023]圖3是實施例1制備3C-SiC納米盤的TEM和AFM圖；
[0024]圖4是實施例1制備的3C-SiC納米盤的發(fā)射光maping ；
[0025]圖5是實施例2制備的3C-SiC納米盤的TEM和AFM圖；
[0026]圖6是實施例2制備的3C-SiC納米盤的發(fā)射光maping ；
[0027]圖7是實施例3制備的3C_SiC納米盤的TEM和AFM圖；
[0028]圖8是實施例3制備的3C-SiC納米盤的發(fā)射光maping。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步詳細描述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。以下實施例鶴絲直徑0.25mm，長度約為8mm。
[0030]實施例1:本發(fā)明所使用的CVD爐為熱絲-CVD爐。
[0031](I)將硅片分別經(jīng)過甲醇、丙酮和異丙酮超聲清洗15分鐘，N2吹干。通過電子束蒸發(fā)系統(tǒng)(E-Beam Evaporat1n)依次蒸鍍 1nm Al2O3,0.8nm Fe。
[0032](2)在爐溫725°C下，氣體流量分別為H2:200sccm，C2H2:1.8sccm，通過去離子水的H2S 200sccm，總氣壓為25.5Torr，熱絲為單根鎢絲，功率為35W條件下，將(I)中制的硅片置于鶴絲前方0.5cm，反應(yīng)30s后將鶴絲功率設(shè)置為0，總氣壓調(diào)節(jié)為6.4Torr