六硼化镨纳米线及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种六硼化镨的纳米线及其制备方法和应用。其制备方法是先将放有镨源的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体；再将管式电炉加热到９７０－１１５０℃，通入硼源，保持１０－６０分钟；在保护气体和还原性气体气氛下降温，冷却，得六硼化镨纳米线；硼源为ＢＣｌ↓［３］，还原性气体为Ｈ↓［２］气，所述保护气体为Ａｒ气。制备的六硼化镨纳米线直径约为５０－３００ｎｍ，长度约为１－４μｍ。本发明专利技术的方法简便，不需要复杂的工艺条件，便于工业化生产。而且制备出的纳米线产量高，结晶度好，场发射性能优异，开启电压较低，在场致电子发射显示材料方面有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
六硼化镨纳米线及其制备方法和应用                           
本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及六硼化镨的纳米线及其制备方法和应用。                           
技术介绍
六硼化镧作为一种提供高性能电子源的场发射材料，广泛应用于现代科学技术。而六硼化镨在RB6(R＝稀土)系列中逸出功相对较低，熔点高、尤其实高温性能好，蒸发率小等优点。根据Davis等人的研究，六硼化镨和六硼化镧一样，都可以作为场发射阴极材料。而作为场发射材料它们还有一个最显著的优点就是能够输出大的发射电流密度，这一点对于在场致电子发射器件上应用时非常重要的。如果一维六硼化镨纳米材料作为发射枪应用于扫描电镜，透射电镜等需要提供高性能电子源的器件。对于类似棒状场发射体来说，局域电场F(从发射体吸引电子的能力)能够表述为所加电压(V)、发射体尖端半径(r)、发射体长度(h)和阴阳极之间的距离(d)的函数：F＝1.2V(2.5+h/r)0.9[1+0.013d/(d-h)-0.033(d-h)/d]/d上述关系表表明，发射体半径越小，还h/r就越大，局域电场F就会越强。也就是说，与传统的同材料的发射体相比较而言，它能够在较低的电压下出现较大的发射电流。对场发射来说，这就意味着降低了开启电压，这些性质在其他的纳米结构SiC，W，CuS和MoO3中已经被观察到。小直径和大的长径比的一维纳米线极大地提高了发射体尖端的局域电场。因此制备和研究纳米结构的六硼化镨不仅具有科学价值，而且更具有现实意义。但是，目前关于一维结构的六硼化镨纳米线的制备方法尚未见报道。                           
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种的六硼化镨纳米线。本专利技术的另一目的在于提供一种的六硼化镨纳米线的制备方法。本专利技术还有一目的在于提供一种的六硼化镨纳米线的应用。-->一种六硼化镨纳米线的制备方法，包括如下步骤及工艺条件：(1)将放有0.1-1g镨源的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，其流速为10-100sccm；(2)将管式电炉加热到970-1150℃，通入硼源，其流速为10-100sccm；同时调节保护和还原性气体流速为20-200sccm；保持10-60分钟；(3)在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温，直至冷却至室温；(4)取出单晶硅片衬底，在蒸馏水中浸泡，再烘干，得衬底上物质即为六硼化镨纳米线；所述步骤(1)、(2)和(3)中的还原性气体为H2气，所述保护气体为Ar气，还原性气体与保护气体体积比为0.1-10∶1。有益的是，所述镨源为金属Pr，其粒度为0.1-0.5mm。由上述方法制备的六硼化镨的纳米线，其纳米线生长在衬底上，纳米线的直径约为50-300nm，长度约为1-4μm。由上述方法制备的六硼化镨的纳米线作为场致电子发射冷阴极材料的应用。应用时，把制备好的样品(样品可为实施实例2中所制备的在衬底上的六硼化镨纳米线)的背面均匀地涂上一层石墨乳，以起到导电的作用。然后把样品放在场发射分析仪承载台上，作为场致电子发射冷阴极，控制阴极到阳极的距离为100μm，用压片固定好阴极，接着将系统抽真空到1.0×10-4Pa，然后缓慢地增加阳极加上电压(0-3000V)。本专利技术所制备的纳米线的开启电场为7.1Vμm-1，比现有技术报道Si纳米管(13)、MoO3纳米线(13.2)和W纳米线(8.0)都要低。可知，本专利技术所制备的PrB6纳米线具有较好的场发射性能。本专利技术的优点：本专利技术采用自催化的金属气相反应的方法制备出的六硼化镨纳米线，不需要任何催化剂(Pt，Au等)。试验过程简单，易于操作和重复，不需要复杂的工艺条件，便于工业化生产。而且制备出的纳米线产量高，结晶度好。同时场发射性能优异，开启电压较低，在场致电子发射显示材料方面有较好的应用价值。                      附图说明图1是本专利技术实施例1中六硼化镨样品的SEM照片。图2是本专利技术实施例2中六硼化镨纳米线的XRD谱。-->图3是本专利技术实施例2中六硼化镨纳米线的SEM照片。图4a是本专利技术实施例2单根六硼化镨纳米线TEM照片。图4b是本专利技术实施例2中六硼化镨纳米线薄的高分辨TEM以及相应的电子衍射照片。图5a是本专利技术应用实施例中六硼化镨纳米线的J-E特性曲线。图5b是本专利技术应用实施例中六硼化镨纳米线的F-N特性曲线。图6是本专利技术实施例3中六硼化镨样品的SEM照片。                         具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，但本专利技术要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。实施例1：(1)将放有1g Pr粉末(粒径约0.1-0.5mm)的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入H2/Ar(H2∶Ar＝0.1)，其流速为10sccm；(2)将管式电炉加热到970℃，此时通入BCl3，流速为100sccm；同时调节保护和还原性气体流速为200sccm；保持60分钟；(3)反应后，在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温(气流流速不限)，直至冷却至室温。(4)取出单晶硅片衬底，在蒸馏水中浸泡4小时，然后在烘箱中烘干。得衬底上物质即为六硼化镨纳米线。图1为本实施例所制备样品的SEM照片，从图中可以看出，除了尺寸较大的块状材料之外，还有纳米线出现。实施例2(1)将放有0.5g Pr粉末(粒径约0.1-0.5mm)的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入H2/Ar(H2∶Ar＝1)，其流速为60sccm；(2)将管式电炉加热到1050℃，此时通入BCl3，流速为60sccm；同时调节保护和还原性气体流速为120sccm；保持30分钟；(3)反应后，在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温(气流流速不限)，直至冷却至室温。-->(4)取出单晶硅片衬底，在蒸馏水中浸泡4小时，然后在烘箱中烘干。得衬底上物质即为六硼化镨纳米线。图2是所制备样品的X射线衍射(XRD)谱，所有的衍射峰都对应于简单立方结构的PrB6，对应的晶格常数a＝4.13，与PrB6体材料的晶格常数吻合得很好。没有发现其他的杂峰。图3是所制备样品的SEM照片(纳米线)，从图中可以看出，衬底表面上有的纳米线出现，纳米线直径约50-300nm，长度约1-4μm。图4a是一根纳米线的TEM形貌像。从形貌像可知这根纳米线的直径约90nm。图4b是纳米线的高分辨晶格条纹像和相应的选区电子衍射(图4b右上角)。图中的条纹间距0.413nm分别对应于简单立方结构PrB6的(001)和(010)晶面，经测量图中两个晶面的夹角为90°，这与理论值90.0°符合的很好。图中的长箭头指向纳米线的生长方向[100]。图4b右上角的选区电子衍射可以根据简单立方结构的PrB6指标化，这与图2的X射线粉末衍射所得到的结果一致。图2～图4说明，本实施例的方法可制备的六硼化镨的纳米线。X射线衍射，扫描电镜和透射电镜对制备的纳米线进行了表征。XRD谱，高分辨晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六硼化镨纳米线的制备方法，其特征在于包括如下步骤及工艺条件：（１）将放有０．１－１ｇ镨源的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，其流速为１０－１００ｓｃｃｍ；（２ ）将管式电炉加热到９７０－１１５０℃，通入硼源，其流速为１０－１００ｓｃｃｍ；同时调节保护和还原性气体流速为２０－２００ｓｃｃｍ；保持１０－６０分钟；（３）在保护气体和还原性气体的混合气（流速不限）气氛下降温，直至冷却至室温；　 　（４）取出单晶硅片衬底，在蒸馏水中浸泡，再烘干，得衬底上物质即为六硼化镨纳米线；所述步骤（１）、（２）和（３）中的还原性气体为Ｈ↓［２］气，所述保护气体为Ａｒ气，还原性气体与保护气体体积比为０．１－１０∶１。

【技术特征摘要】
1、一种六硼化镨纳米线的制备方法，其特征在于包括如下步骤及工艺条件：(1)将放有0.1-1g镨源的单晶硅片衬底放入管式电炉的石英管中部，密封石英管，同时对石英管预抽真空，然后通入保护和还原气体，其流速为10-100sccm；(2)将管式电炉加热到970-1150℃，通入硼源，其流速为10-100sccm；同时调节保护和还原性气体流速为20-200sccm；保持10-60分钟；(3)在保护气体和还原性气体的混合气(流速不限)气氛下降温，直至冷却至室温；(4)取出单晶硅片衬底，在蒸馏...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵彦明，许军旗，邹春云，丁琪玮，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]