專利名稱：一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術領域，尤其是涉及一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法。
背景技術：
作為最重要和應用最廣泛的半導體材料，娃一直以來都是研究熱點，相比于體娃材料，納米硅材料(硅納米線，硅納米管，硅納米粒子)具有更優(yōu)越的物理，化學，電學以及光學性能。在鋰電池領域，因為硅是已知的具有 最高電容的陽極材料，因此被廣泛研究，但是硅材料在充放電的過程中，因為鋰離子的反復插入抽出，使得硅材料很容易變形最后導致電容的下降。近幾年，一些研究組研究了各種硅納米結構對電容的影響。崔毅教授研究組制備了核-殼結構的硅納米線，并用于電池陽極，展現(xiàn)出了較好的電容性能。另外硅納米結構的形態(tài)受到一系列因素的影響，Westwater等人研究了催化劑，溫度，各氣體分壓對硅納米線形態(tài)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，硅納米線的形態(tài)和粗細不僅跟催化劑的大小有直接關系，也跟溫度和氣體分壓有直接關系。本發(fā)明針對現(xiàn)有問題，制備出三維硅基納米材料，以較粗的硅納米線作為骨架，以極細的硅納米絲填充在骨架中，這種三維結構具有高比表面積和牢固的結構，將有利于鋰電池性能的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，制備得到的納米結構具有較大的比表面積和牢固的三維骨架。本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，該方法使用兩個相互嵌套的中空石墨坩堝，分別放置硅源和鍍鐵的硅片基底，在I分鐘內迅速將溫度升高至950攝氏度，保持5分鐘后調整感應爐功率使得爐內溫度在5-20秒間降低至850攝氏度，繼續(xù)保持5分鐘后關閉電源并自然冷卻到室溫，在硅片基底上得到的黃色物即為三維硅基納米結構。所述的硅源為一氧化硅或硅片。所述的鍍鐵的硅片基底是通過磁控濺射在硅片上鍍設直徑在5-50納米的納米鐵顆粒。所述的硅源放置于較小石墨坩堝中，所述的鍍鐵的硅片基底放置于較大的石墨坩堝中，兩個坩堝相互嵌套，使得從硅源蒸發(fā)的蒸汽可以平穩(wěn)的通過硅片表面。加熱反應時采用氬氣保護。在硅片上可以收集到黃色物質，表征分析可知該物質含有硅和二氧化硅，具體的是硅-二氧化硅的核殼結構；在形貌上是硅基三維結構，較粗的硅納米線，直徑在50納米以上，作為骨架形成相互交錯的結構；極細的硅納米，直徑在數(shù)個納米，填充在骨架中的空隙內。最后形成比表面積大，具有牢固骨架的三維硅基納米結構。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明利用高頻感應設備進行加熱，以石墨坩堝作為發(fā)熱體，溫度可隨功率變化而迅速變化。制備過程中，首先將溫度迅速升高到950攝氏度，有利于較粗的常規(guī)納米線生長，所得納米線直徑一般在50納米左右，并呈縱橫交錯排列，構成三維結構的骨架；然后將溫度迅速降低到850攝氏度，該溫度有利于極細的硅納米絲的生長，生長的納米絲將填充到骨架空隙中。本發(fā)明的重點在于在生長過程中可以根據(jù)需要迅速調節(jié)溫度，從而能夠得到所需的納米材料的形貌。


圖I為硅基三維納米結構的X射線衍射譜圖2為硅基三維納米結構的場發(fā)射電子顯微鏡照片
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下 述的實施例。實施例I將洗凈的硅片放置在磁控濺射腔體內，在硅片上濺射催化劑鐵顆粒，所用參數(shù)為濺射功率150w，緩沖氣體為氬氣，流量為20sCCm，濺射時腔體內壓強為O. 1-1帕斯卡，濺射時間20秒，所得硅片在場發(fā)射掃描電鏡下顯示為鐵顆粒隨機排布，顆粒大小為5-50納米。將濺射好的硅片放置在較大的石墨坩堝中，稱取5g —氧化硅粉末放置在較小的石墨坩堝中，將兩個坩堝相互嵌套放置在感應線圈的作用范圍內。對系統(tǒng)抽真空，用氬氣填充，反復幾次確保系統(tǒng)內已基本無殘留氧氣時，將氬氣氣流調節(jié)到50sCCm，并調節(jié)抽氣口的閥門，使得氬氣能夠平穩(wěn)的由小坩堝通過大坩堝。開啟感應爐電源，使爐內溫度盡快升高到950攝氏度左右，本實施例中采用的方法是一開始將功率調到最大，在溫度逐漸升高的同時降低功率，以確保最短的時間內升溫到950攝氏度，一般可在I分鐘內升到所需溫度。在950攝氏度保溫5分鐘，以便較粗的硅納米線能夠生長，之后繼續(xù)調解功率，使得溫度在5秒之內迅速降低到850攝氏度，因為本系統(tǒng)沒有任何保溫措施，所需溫度隨功率變化而變化，因為降溫過程僅需數(shù)十秒，同樣在850攝氏度保持5分鐘，以便極細的硅納米絲能夠生長。反應結束后關閉電源，繼續(xù)通氬氣，使爐內溫度自然下降到室溫。在硅片上可得黃色物質即為硅基三維納米結構。制備得到的硅基三維納米結構的X射線衍射譜如圖I所示，場發(fā)射電子顯微鏡照片如圖2所示。實施例2改變硅源為高純硅片，其余和具體實施方式
I均一致，反應結束后同樣可以得到所需的硅基三維納米結構。實施例3一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，包括以下步驟(I)將洗凈的硅片放于濺射腔中，使用磁控濺射在硅片上鍍上一定量的鐵作為催化劑，所得硅片在場發(fā)射掃描電鏡下可見隨機排布的鐵顆粒，顆粒大小為5-50納米；(2)將適量硅源放置于較小石墨坩堝中，將已鍍鐵的硅片放置于較大的石墨坩堝中；兩個坩堝相互嵌套，使得硅源處蒸發(fā)的蒸汽可以平穩(wěn)的通過硅片表面；
(3)將兩個坩堝放置于感應線圈作用范圍內，抽真空；(4)開啟加熱電源，調整輸出功率，使爐內溫度盡可能快的達到950攝氏度左右，一般在I分鐘之內即可達到；調整功率使爐內溫度在950攝氏度保持5分鐘，然后調整功率使溫度迅速降低到850攝氏度，因為感應爐沒有保溫措施，溫度可以隨功率改變而迅速變化，降溫過程在20秒內即可完成；保持850攝氏度5分鐘后關閉電源，讓爐內溫度自然冷卻；(5)在硅片上可以收集到黃色物質，表征分析可知該物質含有硅和二氧化硅，具體的是硅-二氧化硅的核殼結構；在形貌上是硅基三維結構，具體的是以較粗的縱橫交錯的硅線作為骨架，以極細的硅納米線作為填充物，填充在骨架的空隙內。對比例為了驗證本發(fā)明的有效性，本發(fā)明增加一組對比實驗。實驗一，將溫度升高至950攝氏度，沒有后續(xù)的降溫過程，保溫10分鐘；實驗二，將溫度直接升高至850攝氏度保持10分鐘，沒有之前的950攝氏度過程。對實驗一和實驗二的結果進行分析，發(fā)現(xiàn)實驗一和實驗 二均不能構成三維結構。實驗一為縱橫交錯的較粗的娃納米線，極少發(fā)現(xiàn)有極細的娃納米絲狀物；實驗二為極細的硅納米絲堆積在一起，沒有發(fā)現(xiàn)較相的硅納米線。
權利要求
1.一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，該方法使用兩個相互嵌套的中空石墨坩堝，分別放置硅源和鍍鐵的硅片基底，在I分鐘內迅速將溫度升高至950攝氏度，保持5分鐘后調整感應爐功率使得爐內溫度在數(shù)秒內降低至850攝氏度，繼續(xù)保持5分鐘后關閉電源并自然冷卻到室溫，在硅片基底上得到的黃色物即為三維硅基納米結構。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，所述的硅源為一氧化硅或硅片。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，所述的鍍鐵的硅片基底是通過磁控濺射在硅片上鍍設直徑在5-50納米的納米鐵顆粒。
4.根據(jù)權利要求I所述的一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，所述的硅源放置于較小石墨坩堝中，所述的鍍鐵的硅片基底放置于較大的石墨坩堝中，兩個坩堝相互嵌套，使得從硅源蒸發(fā)的蒸汽可以平穩(wěn)的通過硅片表面。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，加熱反應時采用氬氣保護。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，其特征在于，升溫至950攝氏度的過程在I分鐘內完成，降溫至850攝氏度在5-20秒內完成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分步加熱制備硅基三維納米結構的方法，使用兩個內徑不同的中空石墨坩堝，使得兩個坩堝相互嵌套，其中一個石墨坩堝放置硅源，另一個石墨坩堝放置鍍鐵的硅片作為基底，并將兩個坩堝放置在適當位置；迅速將溫度升高至950攝氏度，保持溫度5分鐘后降低感應爐功率，使溫度在數(shù)秒內下降至850攝氏度左右，繼續(xù)保持5分鐘后關閉電源。在硅片基底上可以得到三維納米結構，具體為較粗的硅納米線構成三維結構的骨架，在骨架間隙內填充有極細的硅納米絲狀物。所得材料具有較大的比表面積和牢固的三維骨架，因此在鋰電池和高性能傳感器中有較好的應用。
文檔編號H01M4/38GK102800850SQ201210274130
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權日2012年8月2日
發(fā)明者張亞非, 錢炳建, 李海蓉, 蘇言杰, 魏浩 申請人:上海交通大學