專利名稱：一種硅納米線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料及其制備方法，特別是一種硅納米線及其制備方法。
背景技術(shù)：
一維納米材料是未來納電子器件和光電子器件的重要組件，在學術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)領(lǐng)域都有良好的前景。硅納米線是一類重要的一維納米材料。目前，制備硅納米線的方法主要有熱蒸發(fā)法(thermal evaporation)、化學氣相沉積法(CVD)以及激光燒蝕法(laser ablation)等。在這些方法中，硅納米線的制備一般是在大氣壓或低真空(本底壓強≥10-2mbar)、850℃～1200℃的生長溫度條件下進行，這種條件下的生長環(huán)境限制了硅納米線產(chǎn)品質(zhì)量和性能的進一步改進，而且也給微觀生長機制的研究帶來許多不確定的因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種硅納米線及其制備方法。
本發(fā)明的硅納米線，由直徑為9～13nm的單晶態(tài)硅核以及包裹在外面的厚度為5～9nm的非晶氧化物殼層組成。
所述單晶態(tài)硅核由面間距分別為0.19nm和0.31nm的(110)和(111)晶面組成。
所述單晶硅核的生長取向主要為[221]。
所述非晶氧化物殼層為氧化硅和二氧化硅殼層。
一種硅納米線的制備方法，包括(1)蒸發(fā)用硅源的制備用純度為99.99％的硅(Si)粉和純度為99.99％的二氧化硅(SiO2)粉，按重量比例為1∶1進行配置攪勻，然后用壓片機把Si+SiO2粉壓成片，放在超高真空電子束系統(tǒng)的源坩堝中抽真空，備用；(2)硅納米線生長襯底的準備選用100～600nm SiO2/Si(111)或SiO2作為硅納米線的生長襯底，先后用分析純丙酮和甲醇溶液對生長襯底分別超聲清洗5分鐘，再用氮氣吹干后，放入超高真空電子束系統(tǒng)的預(yù)真空室中，抽真空；(3)硅納米線的生長當預(yù)真空室的壓強達到1×10-7mbar后，把SiO2/Si(111)或SiO2襯底傳到超高真空電子束系統(tǒng)的主真空室中，加熱到650～750℃，溫度穩(wěn)定后，再用電子束蒸發(fā)源坩堝中的Si+SiO2源，使硅蒸發(fā)出來，并在SiO2/Si(111)或SiO2襯底上沉積生長；(4)主真空室冷卻至室溫后，把襯底從主真空室中取出，在襯底表面均勻的藍灰色或黃色薄膜，即為一維硅納米線。
在上述超高真空條件下制備硅納米線方法中，當預(yù)真空室的壓強達到1×10-7mbar后，把SiO2/Si(111)或SiO2襯底傳到超高真空電子束系統(tǒng)的主真空室中時，主真空室的本底壓強為2×10-10mbar。電子束蒸發(fā)條件為電子束的加速電壓為7kV；發(fā)射電流為220mA；蒸發(fā)速率為0.02nm/s；蒸發(fā)時間為7～10分鐘。硅納米線在電子束主真空室的生長溫度優(yōu)選為700℃。
本發(fā)明方法采用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)用以產(chǎn)生硅納米線生長所需的硅源，利用7kV電子束轟擊蒸發(fā)Si+SiO2源，在700℃的溫度下可制備出大面積的硅納米線。一維納米材料的制備除了需要有合適的源材料之外，保持適當而均衡的溫度也是一維納米材料能否生長的關(guān)鍵所在。因為，如果生長的環(huán)境溫度不均勻，較高的溫度梯度將會終止一維納米材料的生長。本發(fā)明把恒溫控制與電子束蒸發(fā)系統(tǒng)相結(jié)合，在超高真空的條件下成功制備出大面積的高質(zhì)量和性能的硅納米線。本發(fā)明開發(fā)了電子束蒸發(fā)技術(shù)的新用途，提供了一種超高真空條件下大規(guī)模制備硅納米線的新方法，利用類似方法很可能得到更多種類、性能獨特的一維納米材料，為一維納米材料的研究開拓了新的思路，有利于得到純度更高的一維納米材料產(chǎn)品，并且對深入研究一維納米材料的生長機制具有重要意義。


圖1是實施本發(fā)明方法的設(shè)備裝置示意2是采用不同倍數(shù)的掃描電子顯微鏡檢驗本發(fā)明硅納米線的顯微照片圖3是采用透射電子顯微鏡檢驗本發(fā)明單根硅納米線的顯微照片圖4是采用高分辨透射電子顯微鏡檢驗本發(fā)明單根硅納米線中間晶核的顯微照片圖5是采用高分辨透射電子顯微鏡檢驗本發(fā)明單根硅納米線結(jié)果的顯微照片圖6是本發(fā)明硅納米線的X射線衍射7是本發(fā)明硅納米線的X光電子能譜圖(XPS Si 2p譜圖)具體實施方式
本發(fā)明具體實施過程所需的設(shè)備包括全自動超高真空電子束蒸發(fā)系統(tǒng)(瑞士BALZERS ULS 400系統(tǒng)，主真空室的本底壓強為2×10-10mbar)和電阻式恒溫控制系統(tǒng)。設(shè)備裝置如圖1所示，包括超高真空電子束系統(tǒng)(ULS 400)的預(yù)真空室1；ULS400系統(tǒng)的主真空室2；樣品3；ULS 400系統(tǒng)配置的加熱裝置4；電阻式可控加熱屏套(恒溫控制系統(tǒng))5；蒸發(fā)源坩堝(Si+SiO2源)6；電子槍7；膜厚及蒸發(fā)速率控制儀8；四極質(zhì)譜儀9；ULS 400系統(tǒng)溫控及樣品旋轉(zhuǎn)裝置10。
制備硅納米線的具體方法是(1)蒸發(fā)用硅源的制備用純度為99.99％的硅(Si)粉和純度為99.99％的二氧化硅(SiO2)粉，按重量比例為1∶1進行配置并攪勻，然后用普通壓片機把Si+SiO2粉壓成片，放在超高真空電子束系統(tǒng)的源坩堝6中抽真空，備用。
(2)硅線生長襯底的準備選用100nm SiO2/Si(111)作為硅納米線的生長襯底，分別用分析純丙酮和甲醇溶液對生長襯底超聲清洗5分鐘，再用高純氮氣吹干后，立即放入超高真空電子束系統(tǒng)的預(yù)真空室1中，抽真空。
(3)硅線的生長當預(yù)真空室1的壓強達到1×10-7mbar后，把SiO2/Si(111)襯底傳到主真空室2(本底壓強為2×10-10mbar)中，先用電阻式程序可控加熱屏套5(恒溫控制系統(tǒng))和ULS 400系統(tǒng)配置的加熱裝置4共同加熱，使生長區(qū)域的溫度達到700℃，溫度穩(wěn)定后，用電子束蒸發(fā)源坩堝6中的Si+SiO2源，使硅蒸發(fā)出來，電子束的加速電壓為7kV；發(fā)射電流為220mA；蒸發(fā)速率為0.02nm/s，在SiO2/Si(111)襯底上沉積生長8分鐘。
(4)主真空室2冷卻至室溫，然后，把襯底從主真空室2中取出，發(fā)現(xiàn)在襯底的表面有大面積的均勻的藍灰色薄膜生成，即為一維硅納米線。
經(jīng)以下方法分析，可證明采用本發(fā)明所述的制備方法可大量制備出一維硅納米線。
采用本發(fā)明所述的制備方法，制備出的一維硅納米線，經(jīng)不同倍數(shù)的掃描電子顯微鏡檢驗，如圖2所示，結(jié)果表明有大量的一維納米線生成，其長度為1～4μm，在不同區(qū)域里分析都取得類似的圖象；單根硅納米線經(jīng)透射電子顯微鏡檢驗，如圖3所示，結(jié)果表明其一維硅納米線由中間的單晶態(tài)核芯(直徑約10nm)，及外面包裹著的非晶氧化物殼層(厚度約5～9nm)所組成；單根硅納米線的核芯經(jīng)高分辨透射電子顯微鏡檢驗，如圖4所示，結(jié)果表明中間的單晶態(tài)核芯由面間距分別為0.19nm和0.31nm的(110)和(111)晶格面所組成；單根硅納米線經(jīng)高分辨透射電子顯微鏡檢驗，如圖5所示，結(jié)果表明該硅納米線的生長方向與[110]和[111]晶向的夾角分別為19度和54度，這說明該硅納米線的生長方向是[221]，圖5中右上角的插圖是所制備的硅納米線的電子衍射圖，表明了硅納米線的主要晶面族；如圖6所示，所制備的硅納米線的X射線衍射圖，進一步證明硅納米線的晶面族；如圖7所示，所制備的硅納米線的X光電子能譜圖(XPS Si 2p譜圖)，證明所制備的硅納米線包含有純Si核，以及SiO和SiO2氧化物殼層。
權(quán)利要求
1.一種硅納米線，由直徑為9～13nm的單晶態(tài)硅核以及包裹在外面的厚度為5～9nm的非晶氧化物殼層組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線，其特征是所述單晶態(tài)硅核由面間距分別為0.19nm和0.31nm的(110)和(111)晶面組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線，其特征是所述單晶硅核的生長取向主要為[221]。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅納米線，其特征是所述非晶氧化物殼層為氧化硅和二氧化硅殼層。
5.一種硅納米線的制備方法，包括(1)蒸發(fā)用硅源的制備用純度為99.99％的硅(Si)粉和純度為99.99％的二氧化硅(SiO2)粉，按重量比例為1∶1進行配置攪勻，然后用壓片機把Si+SiO2粉壓成片，放在超高真空電子束系統(tǒng)的源坩堝中抽真空，備用；(2)硅納米線生長襯底的準備選用100～600nm SiO2/Si(111)或SiO2作為硅納米線的生長襯底，先后用分析純丙酮和甲醇溶液對生長襯底分別超聲清洗5分鐘，再用氮氣吹干后，放入超高真空電子束系統(tǒng)的預(yù)真空室中，抽真空；(3)硅納米線的生長當預(yù)真空室的壓強達到1×10-7mbar后，把SiO2/Si(111)或SiO2襯底傳到超高真空電子束系統(tǒng)的主真空室中，加熱到650～750℃，溫度穩(wěn)定后，再用電子束蒸發(fā)源坩堝中的Si+SiO2源，使硅蒸發(fā)出來，并在SiO2/Si(111)或SiO2襯底上沉積生長；(4)主真空室冷卻至室溫后，把襯底從主真空室中取出，在襯底表面均勻的藍灰色或黃色薄膜，即為一維硅納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線的制備方法，其特征是所述當預(yù)真空室的壓強達到1×10-7mbar后，把SiO2/Si(111)或SiO2襯底傳到超高真空電子束系統(tǒng)的主真空室中時，主真空室的本底壓強為2×10-10mbar。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線的制備方法，其特征是電子束的加速電壓為7kV；發(fā)射電流為220mA；蒸發(fā)速率為0.02nm/s；蒸發(fā)時間為7～10分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅納米線的制備方法，其特征是所述硅納米線在電子束主真空室的生長溫度為700℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅納米線及其制備方法。本發(fā)明的硅納米線由單晶態(tài)硅核以及包裹在外面的非晶氧化物殼層所組成。其制備方法是(1)用高純度硅粉和二氧化硅粉，按重量比例為1∶1進行配置攪勻，壓成片狀，放在超高真空電子束系統(tǒng)的源坩堝中抽真空備用；(2)選用SiO
文檔編號C01B33/021GK1590599SQ0315593
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月27日
發(fā)明者許向東, 王銀川, 劉忠范 申請人:北京大學