專利名稱：硅化鐵納米線的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料的制備方法，尤其涉及一種硅化鐵納米線的制備方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展方向是更小、更快、更低能耗。然而，從微米電子時(shí) 代進(jìn)入納米電子時(shí)代之后，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)-光刻工藝("自上而下" 的技術(shù))顯得越來越難以滿足現(xiàn)在和未來的要求。由此，"自下而上，，的技術(shù)， 或稱為自組裝技術(shù)被認(rèn)為是未來發(fā)展的趨勢(shì)。目前，人們已經(jīng)利用這種自組 裝技術(shù)合成了各種納米結(jié)構(gòu)，包括納米線、納米管，其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括 納米電子、納米光學(xué)、納米感測(cè)器等。硅化鐵納米線(FeSi nanowires)是一種窄禁帶半導(dǎo)體，且具有獨(dú)特的磁學(xué) 性能，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景(請(qǐng)參見，Vapor-Phase Synthesis and Characterization of s國(guó)FeSi nanowires, Advanced Material, Vol 18, P1437畫1440 (2006))。
現(xiàn)有技術(shù)提供一種硅化鐵納米線的制備方法，其具體包括以下步驟提 供一硅片作為生長(zhǎng)基底；將該生長(zhǎng)基底置入管式爐中的瓷舟內(nèi)；將一定量的
三氯化鐵(FeCl3)粉體(沸點(diǎn)為319°C)置入瓷舟內(nèi)，且該三氯化鐵粉體位于 瓷舟內(nèi)的靠近入氣口一側(cè)；向該管式爐中通入氮?dú)猓瑫r(shí)加熱該管式爐至生 長(zhǎng)溫度，蒸發(fā)的三氯化鐵被氮?dú)鈳У缴L(zhǎng)基底上方，并于生長(zhǎng)基底接觸，發(fā) 生反應(yīng)，長(zhǎng)出硅化鐵納米線。該硅化鐵納米線無序分布在生長(zhǎng)基底表面，且 其沿著[lll]方向生長(zhǎng)。
然而，采用上述方法制備硅化鐵納米線，由于三氯化鐵與硅的反應(yīng)不易 發(fā)生，所以通常需要較高的生長(zhǎng)溫度， 一般生長(zhǎng)溫度在1100。C以上。因此，
不利于節(jié)省能源以及大規(guī)模生產(chǎn)。其次，采用該方法只能在硅片上生長(zhǎng)硅化 鐵納米線，限制了其應(yīng)用范圍。
有鑒于此，確有必要提供一種可以在較低溫度下，且可以在不同生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)硅化鐵納米線的方法。

發(fā)明內(nèi)容
一種硅化鐵納米線的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置， 且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一定量的鐵粉與一生長(zhǎng)基底， 并將該鐵粉與生長(zhǎng)基底間隔置入反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入硅源氣體，并加熱 至600 1200。C ，在生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)得到硅化鐵納米線。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的制備硅化鐵納米線的方法中，由于鐵元 素具有較強(qiáng)的還原性，鐵粉與硅源氣體的反應(yīng)容易發(fā)生，所以可以在較低的 生長(zhǎng)溫度下生長(zhǎng)硅化鐵納米線。因此，有利于節(jié)省能源，減低制備成本，實(shí) 現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。而且，本發(fā)明還可以在不同生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)硅化鐵納米線， 擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。


圖l為本技術(shù)方案實(shí)施例的硅化鐵納米線的制備方法流程圖。 圖2為本技術(shù)方案實(shí)施例制備硅化鐵納米線的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本技術(shù)方案實(shí)施例制備的硅化鐵納米線團(tuán)簇的掃描電鏡照片。 圖4為本技術(shù)方案實(shí)施例制備的硅化鐵納米線的掃描電鏡照片。 圖5為本技術(shù)方案實(shí)施例制備的硅化鐵納米線的透射電鏡照片。 圖6為本技術(shù)方案實(shí)施例制備的硅化鐵納米線的X射線衍射圖譜。
具體實(shí)施例方式
以下將結(jié)合附圖對(duì)本技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請(qǐng)參閱圖1及圖2，本技術(shù)方案實(shí)施例提供一種硅化鐵納米線的制備方法， 其具體包括以下步驟
步驟一，提供一生長(zhǎng)裝置30,且該生長(zhǎng)裝置30包括一加熱爐302以及一反 應(yīng)室304。
本實(shí)施例中，所述反應(yīng)室304優(yōu)選為一石英管，其兩端分別具有一入氣口 306和一出氣口 308。該石英管置于加熱爐302內(nèi)可移動(dòng)，且其長(zhǎng)度比加熱伊302 長(zhǎng)，這樣使得在實(shí)驗(yàn)中推、拉移動(dòng)石英管時(shí)，總能保持石英管有一部分可以置于加熱爐302的內(nèi)部。
該反應(yīng)室304內(nèi)還包括一承載裝置310，該承載裝置310為一高熔點(diǎn)的容 器。本實(shí)施例中，承載裝置310優(yōu)選為一陶瓷反應(yīng)舟，該陶瓷反應(yīng)舟的形狀不 限，其大小可以根據(jù)反應(yīng)室304的大小而選擇。
步驟二，提供一定量的鐵粉314與一生長(zhǎng)基底312,并將該鐵粉314與生長(zhǎng) 基底312間隔置入反應(yīng)室3 04內(nèi)。
在使用前，先將該鐵粉314置入稀釋的酸性溶液中浸泡2 10分鐘，除去 鐵粉314的表面氧化層與雜質(zhì)。本實(shí)施例中，酸性溶液優(yōu)選為稀釋的鹽酸溶液。 采用稀釋的鹽酸溶液浸泡鐵粉314,不但可以除去鐵粉314的表面氧化層與雜 質(zhì)，還可以在鐵粉314表面形成一鐵的氯化物層。由于鐵的氯化物容易蒸發(fā)， 所以提高了鐵粉314的表面活性。
然后，將該鐵粉314平鋪在承載裝置310底部形成一定量的鐵粉層，其厚 度為l微米 3毫米。該鐵粉314純度為99.9%。
最后，降所述生長(zhǎng)基底312置入反應(yīng)室304內(nèi)。該生長(zhǎng)基底312可以置于承 載裝置310正上方或置于承載裝置310與出氣口308之間。如果承載裝置310足 夠大，還可以將鐵粉314與生長(zhǎng)基底312均置于承載裝置310內(nèi)，且生長(zhǎng)基底312 位于靠近出氣口308—側(cè)。本實(shí)施例中，優(yōu)選地，將生長(zhǎng)基底312放置于承載 裝置310正上方。
所述生長(zhǎng)基底312可以為一非金屬耐高溫材料。如硅片、石英片、藍(lán)寶 石或玻璃等。本實(shí)施例中，生長(zhǎng)基底312優(yōu)選為一硅片。
步驟三，通入珪源氣體，并加熱反應(yīng)室304至生長(zhǎng)溫度進(jìn)行反應(yīng)，生長(zhǎng)硅 化鐵納米線。
該生長(zhǎng)硅化鐵納米線的步驟具體包括以下步驟
首先，通過入氣口306通入保護(hù)氣體，用以將反應(yīng)室304內(nèi)的空氣排出， 同時(shí)形成氣流方向318乂人入氣口 306到出氣口 308。
通入保護(hù)氣體的流量為200~2000毫升/分。所述的保護(hù)氣體為氮?dú)饣蚨栊?氣體，本實(shí)施例優(yōu)選的保護(hù)氣體為氬氣。
其次，加熱反應(yīng)室304，并通入氬氣。
當(dāng)向反應(yīng)室304通入保護(hù)氣體將反應(yīng)室304內(nèi)的空氣排出后，繼續(xù)通入保 護(hù)氣體，使反應(yīng)室304內(nèi)壓強(qiáng)保持為1 15托。然后對(duì)反應(yīng)室304進(jìn)行加熱至800°C,升溫速度為20"C/分鐘。同時(shí)，向反應(yīng)室304通入氫氣。所述氫氣的純度 大于99.99%。所述氫氣流量為20~ 1000毫升/分。通入氫氣的時(shí)間為10~20分鐘， 其作用是對(duì)鐵粉314表面的氧化鐵進(jìn)行還原。 再次，向反應(yīng)室304通入石圭源氣體。
通入氫氣約10分鐘后，繼續(xù)通入氬氣，同時(shí)通入硅源氣體。其中，硅源 氣體為硅烷類的衍生物氣體，卣化硅，卣硅烷等，所述硅源氣體的流量為 10 1000毫升/分。本實(shí)施例中，優(yōu)選四氯化硅(SiCU)氣體作為硅源氣體，其 流量?jī)?yōu)選為100毫升/分。該保護(hù)氣體與硅源氣體以及氬氣可以通過連接入氣 口 306的同 一 閥門或不同閥門控制通入。
最后，調(diào)節(jié)反應(yīng)室304至生長(zhǎng)溫度進(jìn)行反應(yīng)，生長(zhǎng)硅化鐵納米線。
所述生長(zhǎng)溫度為600 1200。C。整個(gè)生長(zhǎng)過程中，反應(yīng)室304內(nèi)氣壓保持 在卜20托。生長(zhǎng)硅化鐵納米線的時(shí)間約為10 90分鐘。所述硅源氣體與鐵粉 314以及氫氣發(fā)生反應(yīng)，并在生長(zhǎng)基底312上生長(zhǎng)珪化鐵納米線。可以理解， 本實(shí)施例中還可以不通入氫氣，直接通入硅源氣體與鐵粉314反應(yīng)，在生長(zhǎng)基 底312上生長(zhǎng)硅化4失納米線。本實(shí)施例中，還可以先對(duì)反應(yīng)室304進(jìn)^亍加熱， 再通入氫氣及石圭源氣體，或在加熱反應(yīng)室304的同時(shí)，通入氫氣及石圭源氣體。
請(qǐng)參閱圖3,為本實(shí)施例在800°C條件下制備的硅化鐵納米線團(tuán)簇的掃描 電鏡照片。請(qǐng)參閱圖4，為本實(shí)施例在80(TC條件下制備的硅化鐵納米線的掃 描電鏡照片。所述硅化鐵納米線無規(guī)則的分布在生長(zhǎng)基底312表面，其直徑為 10 500納米，長(zhǎng)度為100納米 100孩i米。參閱圖5，該石圭化鐵納米線的掃描電 鏡照片表明其沿[110]方向生長(zhǎng)。該硅化鐵納米線是一種窄禁帶半導(dǎo)體，且具 有獨(dú)特的磁學(xué)性能，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景?？梢杂脕碇谱?自旋電子器件。
請(qǐng)參閱圖6，為本實(shí)施例在800°C條件下制備的硅化鐵納米線的X射線衍 射圖譜。射線衍射結(jié)果表明，當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于1000。C時(shí)，制備的硅化鐵納米 線包括Fe3Si與FeSi兩相。這是因?yàn)椋柙礆怏w與鐵粉314以及氫氣發(fā)生反應(yīng) 后很容易形成Fe3Si相的化合物。但是，這種Fe3Si相的化合物中，F(xiàn)e原子很容 易擴(kuò)散到Fe3Si的晶格表面，與硅源氣體以及氫氣發(fā)生反應(yīng)，長(zhǎng)出硅化鐵納米 線。當(dāng)生長(zhǎng)溫度高于100(TC后，F(xiàn)e3Si相的微晶須狀化合物中的Fe原子基本全 部擴(kuò)散到Fe3Si的晶格表面，與硅源氣體以及氫氣發(fā)生反應(yīng)，長(zhǎng)出硅化鐵納米線，所以制備的硅化鐵納米線中已經(jīng)基本上為FeSi相，而沒有Fe3Si相的化合 物了。
本實(shí)施例提供的制備硅化鐵納米線的方法中，由于鐵元素具有較強(qiáng)的還 原性，鐵粉314與硅源氣體的反應(yīng)容易發(fā)生，所以可以在較低的生長(zhǎng)溫度下生 長(zhǎng)硅化鐵納米線。因此，有利于節(jié)省能源，減低制備成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。圍。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依 據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅化鐵納米線的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置，且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一定量的鐵粉與一生長(zhǎng)基底，并將該鐵粉與生長(zhǎng)基底間隔置入反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入硅源氣體，并加熱至600～1200℃，在生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)得到硅化鐵納米線。
2. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述鐵粉在 使用前先用稀釋的酸性溶液浸泡2 10分鐘。
3. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述生長(zhǎng)基 底為一^e圭片、石英片、藍(lán)寶石或JE皮璃。
4. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)室 包括一入氣口與一出氣口 ，且該生長(zhǎng)基底置于鐵粉正上方或置于鐵粉與 出氣口之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，向反應(yīng)室通 入石圭源氣體前，先向反應(yīng)室通入流量為20~1000毫升/分的氬氣。
6. 如權(quán)利要求5所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，向反應(yīng)室通 入氫氣前，先向反應(yīng)室通入流量為200 2000毫升/分的保護(hù)氣體。
7. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述硅源氣 體的流量為10~1000毫升/分。
8. 如權(quán)利要求7所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述硅源氣 體包括卣化硅、硅烷及其衍生物、卣硅烷中的一種或多種。
9. 如權(quán)利要求8所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，所述硅源氣 體為四氯化珪。
10. 如權(quán)利要求l所述的硅化鐵納米線的制備方法，其特征在于，該方法制備 的珪化鐵納米線的直徑為10~500納米，長(zhǎng)度為100納米 100微米。
全文摘要
一種硅化鐵納米線的制備方法，其具體包括以下步驟提供一生長(zhǎng)裝置，且該生長(zhǎng)裝置包括一加熱爐以及一反應(yīng)室；提供一定量的鐵粉與一生長(zhǎng)基底，并將該鐵粉與生長(zhǎng)基底間隔置入反應(yīng)室內(nèi)；向反應(yīng)室通入硅源氣體，并加熱至600～1200℃，在生長(zhǎng)基底上生長(zhǎng)得到硅化鐵納米線。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101549869SQ200810066399
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月3日
發(fā)明者姜開利, 孫海林, 李群慶, 范守善 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司