一维硅纳米线的制备方法技术

本发明专利技术公开一种一维硅纳米线制备方法，该方法包括如下步骤：1)将SiO粉末放入耐热容器中，然后将所述耐热容器放置于密闭加热装置的加热区；2)将洁净的钼网放置于另一耐高温的容器中，然后将其放置在所述密闭加热装置的非加热区；3)降低所述密闭加热装置内压力；4)向所述密闭加热装置充入保护气体；5)将所述加热装置温度升至1200-1300℃进行反应；6)反应结束后，使所述加热装置自然降温。本方法硅纳米线结晶性高，操作简单，重复性高，可控性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一维硅纳米线的制备方法，属于纳米半导体

技术介绍
随着人口和经济的飞速增长以及自然资源储量的日益枯竭，人们更加关注新能源特别是太阳能的高效利用。在太阳能利用方面，半导体材料有着得天独厚的优势，它们能高效吸收太阳能并将其转化为其他形式的能量，如电能、化学能等。因此，半导体材料可被广泛用于太阳能电池、光解水和光降解等领域。在太阳能电池领域，如何提高能量转化效率又兼顾成本面临新的挑战。在光降解领域，如何提高半导体材料的光降解效率并且降低其成本成为人们研究的重点。在后续研究中，人们陆续发现CdS、CdSe、Cu2O和α-Fe2O3等纳米材料相对于其它材料具有更好的催化活性。但是，这些催化剂在应用中面临很多问题：CdS和CdSe纳米材料具有很强的毒性，α-Fe2O3、Cu2O光降解效率较低，且难以进一步提高。因此，研究低成本且环境友好的半导体材料成为亟待解决的重要课题。随着研究的进一步深入，研究人员发现纳米硅材料具有很大的可发掘空间，成为解决这一问题的重要材料。硅(Si)具有典型的金刚石型结构，是一种性能优良、储量丰富的半导体材料。以硅基器件为基础的微电子技术是现代信息技术的支柱，已被广泛应用于科学研究、半导体和国防工业等诸多领域。另外，由于器件小型化、高集成度的需求，使用的硅材料的尺寸逐渐减小。在这个研究过程中，人们发现一维硅纳米线的性质与体硅材料有明显差异，其不仅具有纳米材料特有的纳米效应如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应以及库伦阻塞效应，还具有体材料所不具备的光学、电学等性能：(1)能带结构变化，体硅材料是间接带隙半导体，带隙只有1.12eV，而Schoen D T等发现一维硅纳米线是直接带隙半导体(Schoen D T,Schoen A P,et.al,High Speed Water Sterilization Using One-Dimensional Nanostructures，Nano Lett,2010,10,3628)；(2)带隙大小依赖硅纳米线的直径，早在2003年，Lee S T研究小组证明一维硅纳米线的带隙与直径呈负相关关系，即随着硅纳米线直 径的缩小，它的带隙从1.1eV变化到3.5eV(Lee S T，et al.Small-diameter silicon nanowire surfaces[J].Science,2003,299:1874-1877)；(3)硅纳米线具有很大的比表面积、强表面活性,对光照和温度等环境因素有很高的敏感度,利用硅纳米线制成传感器可以检测氨气、水蒸气、酸碱度及化学物质的变化。Cui等用硼元素掺杂硅纳米线制成场效应晶体管，并可用于检测pH的变化,测试发现其电导率与体系的pH值表现为类似线性的关系(Cui Y,Wei Q Q,Park H K,et.al.Nanowire nanosensors for highly sensititive and selective detection of biological and chemical species[J].Science.2001,293,1289-1293)；(4)优异的吸光性能，Chen等用硅片表面硅纳米线阵列作减反层并制成太阳能电池，其能量转换效率达到16.5％(Chen C，Jia R，Yue H H，Li H F，Liu X Y，Wu D Q，Ding W C，Ye T C，Kasai S，Tamotsu H，Chu J H，Wang S L.J.Appl.Phys.，2010，108:094318)。(5)对光信号反应灵敏、快速。Zhang等通过实验研究，证实硅纳米线阵列制成的光敏三极管，探测可见和红外波段的光照都有很高的灵敏度，即使对飞瓦特(10-15W)级别的可见光或皮瓦特(10-12W)级别的红外光，都有比较明显的电信号反应(Zhang A，Kim H K，Cheng J，Lo Y H.Nano Lett.，2010，10(6):2117-2120)。(6)很强的光催化活性，Shao M W等发现一维硅纳米线在光降解有机废物方面也有出色的表现(Shao M W,Cheng L,et.al，J.Am.Chem.Soc，Excellent Photocatalysis of HF-Treated Silicon Nanowires，2009，131，17738)。进一步研究发现，在硅纳米线表面修饰金属颗粒形成金属半导体接触或者修饰其他半导体颗粒形成异质结可以一定程度上提高硅纳米复合材料的光降解效率。因此，寻找大规模、低成本制备高质量的一维硅纳米线变得十分必要。常见的制备方法包括化学气相沉积、激光烧蚀、化学刻蚀、分子束外延和超临界流体法等技术(Volker Schmidt,Joerg V.Wittemann,et.al，Silicon Nanowires:A Review on Aspects of their Growth and their Electrical Properties，Adv.Mater.，2009，21,2681-2702)。总体而言，激光烧蚀法制得的硅纳米线纯度较高，但是设备非常昂贵，生产成本过高，不利于实际中大规模生产硅纳米线；分子束外延技术设备复杂，产率很低，难以大规模投入生产；化学刻蚀技术对环境污染较大，制得硅纳米线尺寸较粗，而且需要单晶硅片作为衬底，无法直接应用于其他衬底；超临界流体法属于溶液法范畴，成本较高，生产条件苛刻，实验过程复杂。因此，需要提供一种操作简单、重复性高且可控性强的一维硅纳米线制 备方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种操作简单、重复性高且可控性强的一维硅纳米线的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种一维硅纳米线制备方法，其包括如下步骤：1)将SiO粉末放入耐热容器中，然后将所述耐热容器放置于密闭加热装置的加热区；2)将洁净的钼网放置于另一耐高温的容器中，然后将其放置在所述密闭加热装置的非加热区；3)降低所述密闭加热装置内压力；4)向所述密闭加热装置充入保护气体；5)将所述加热装置温度升至1200-1300℃进行反应； 6)反应结束后，使所述加热装置自然降温；本专利技术使用一氧化硅(SiO)固体粉末作为硅源，通过化学气相沉积技术，在钼网衬底上制备出高质量的一维硅纳米线。其特征是以高纯度的一氧化硅(SiO)粉末为硅源，高纯金属钼网为衬底，保护气体为载气，在高温条件下一氧化硅发生歧化反应形成硅和二氧化硅蒸汽，继而在衬底上沉积得到一维硅纳米线(见图6)。所述密闭加热装置为管式炉；优选为水平真空管式炉。所述耐热容器为可耐受1400℃高温的容器，可选自陶瓷舟、瓷方舟、刚玉舟或石英舟等，优选为陶瓷舟或瓷方舟。所述加热区是指加热所述密闭加热装置时热源所处的位置；所述非加热区是密闭加热装置中加热区之外的位置。钼网的清洁度对于纳米线的形成具有较大的影响，因此需要通过清洁方式达到所需的洁净度，或其他可达到所需清洁度的方式。优选地，清洗后，钼网需要并晾干。更优选地，使用稀盐酸、无水乙醇和去离子水依次清洗。优选地，钼网应放置置于距离加热区中心10-20cm的非加热区。一氧化硅粉末的纯度对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一维硅纳米线制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1) 将SiO粉末放入耐热容器中，然后将所述耐热容器放置于密闭加热装置的加热区；2) 将洁净的钼网放置于另一耐高温的容器中，然后将其放置在所述密闭加热装置的非加热区；3) 降低所述密闭加热装置内压力；4）向所述密闭加热装置充入保护气体；5）将所述加热装置温度升至1200‑1300℃进行反应；6）反应结束后，使所述加热装置自然降温。

【技术特征摘要】
1.一维硅纳米线制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1) 将SiO粉末放入耐热容器中，然后将所述耐热容器放置于密闭加热装置的加热区；2) 将洁净的钼网放置于另一耐高温的容器中，然后将其放置在所述密闭加热装置的非加热区；3) 降低所述密闭加热装置内压力；4）向所述密闭加热装置充入保护气体；5）将所述加热装置温度升至1200-1300℃进行反应；6）反应结束后，使所述加热装置自然降温。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述密闭加热装置为管式炉；优选为水平真空管式炉。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述耐热容器为可耐受1400℃高温的容器，可选自陶瓷舟、瓷方舟、刚玉舟或石英舟。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：钼网应放置置于距离所述加热区中心10-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥敏，黄奔，夏静，王磊，朱丹丹，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11