硅粒子、硅粒子超晶格以及它们的制备方法技术

通过本发明专利技术的制备方法，能够以工业规模提供作为高性能的发光元件或电子部件用的原料粉末的实用性高的高纯度的硅纳米粒子。所述制备方法具有以下工序：使甲硅烷气体和用于氧化该甲硅烷气体的氧化气体进行气相反应，合成含有硅粒子的硅氧化物粒子的工序、在惰性气氛下，在８００～１４００℃下保持该硅氧化物粒子后，利用氢氟酸除去上述硅氧化物的工序。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纳米(nm)尺寸的高纯度硅粒子及其制备方法。另外，本专利技术还涉及二维或三维地周期性有规则地排列纳米(nm)尺寸的硅粒子而形成的硅粒子超晶格及其制备方法。
技术介绍
具有纳米级的粒径的硅粒子(硅纳米粒子)具有与块状硅明显不同的物理、化学性质，因此，近年来作为新型功能材料而受到极大关注。例如，硅纳米粒子基于量子理论的限制效应或表面能效应，具有与块状硅不同的能带结构，能够看到在块状硅中观察不到的发光现象，因此，正期待着作为新型硅发光装置用原料的应用。微粉碎硅而得到的通常的硅微粉末具有大致与块状硅一致的物理、化学性质。与此相对，硅纳米粒子是粒径细微，粒度分布范围较小，而且是高纯度的。因此，可以认为表观出与块状硅显著不同的发光现象等特异的性质。以前，作为硅纳米粒子的制造方法，例如，一直使用(1)在减压气氛中利用无电极放电产生的第二高温等离子中，使利用在相对的硅电极间产生的第一高温等离子蒸发的硅通过的方法(专利文献1)、(2)通过电化学蚀刻，从由硅晶片构成的阳极中分离除去硅纳米粒子(专利文献2)、(3)使用反应性电极对含卤有机硅化合物进行电极还原的方法(专利文献3)等。但是，上述(1)、(2)的方法的硅纳米粒子的生成速度明显小，因此，难以提高生产率。另外，对于上述(3)的方法来说，原料含有Cl等卤素，并且容易混入生成物，因此，Na、Fe、Al、Cl的总量难以为10ppm以下。因此，以工业规模生产作为高性能的发光元件或电子部件用的原料粉未有用的高纯度硅纳米粒子是非常困难的。另一方面，为了表现基于上述能带结构和表面能级效应的发光现象等，必须二维或三维地周期性有规则地排列粒径均匀的纳米级的硅粒子，即形成所谓的超晶格结构。因此，作为利用纳米级的硅粒子作为新功能材料的具体方法，必须是在大量制备的硅粒子中选择性地取出特定尺寸的粒子，二维或三维地排列，即形成所谓的超晶格的方法。以前，作为硅粒子或含硅粒子的超晶格、或者排列硅粒子而形成的膜或成形物的制造方法，提出了(a)化学气相沉积(CVD)法(专利文献4，5)、(b)旋涂法(专利文献6)、(c)利用多孔隔壁从含粒子的悬浮液中滤过粒子的方法(专利文献7)、(d)利用粒子的电泳的方法(专利文献8)等。但是，上述(a)的方法大多是在高温真空中或等离子气氛下进行的，因此需要高度控制的真空加热装置或等离子发生装置，成本提高。另外，(b)的方法虽并不象(a)的方法那样需要昂贵的装置，但是，产品收率明显降低。关于(c)、(d)的方法，粒子排列在多孔隔壁或电极上，但是，使由超晶格构成的膜或成形物从这些材料中脱离的适当的方法还没有。另外，通过这些方法制得的以前的含有硅粒子的超晶格的粒径具有偏差，因此，能带结构或表面能级不稳定，当作为发光元件使用时，发光效率没有充分提高，当作为电子部件使用时，存在产生故障等忧虑。专利文献1特开平6-279015号公报专利文献2特表2003-515459号公报专利文献3特开2002-154817号公报专利文献4特开平5-62911号公报专利文献5特开平6-349744号公报专利文献6特开平11-130867号公报专利文献7特开2002-279704号公报专利文献8特开2003-89896号公报
技术实现思路
本专利技术者精心地研究了是否存在可以使高性能发光元件或电子部件成为现实的、可以工业规模生产高纯度的硅纳米粒子的制备方法。结果发现在特定的条件下，对利用特定原料通过气相法制备的内包硅粒子的硅氧化物进行加热处理后，利用氢氟酸除去多余的硅氧化物，通过上述方法，可以以工业规模制备粒径比较均匀的高纯度的纳米尺寸的硅粒子，从而完成本专利技术。即，本专利技术的硅粒子的特征在于粒径为1～50nm，Na、Fe、Al、Cl的总量为10ppm以下。另外，本专利技术的硅粉末的特征在于含有90质量％以上粒径为1～50nm，Na、Fe、Al、Cl的总量为10ppm以下的硅粒子。此外，本专利技术的硅粒子的制备方法，其特征在于具有以下工序使甲硅烷气体和用于氧化该甲硅烷气体的氧化气体进行气相反应，合成内含硅粒子的硅氧化物粒子的工序；在惰性气氛下，在800～1400℃下保持该硅氧化物粒子后，利用氢氟酸除去上述硅氧化物的工序。另外，本专利技术者精心地研究了是否存在低成本、高效地制备可以使高性能的发光元件或电子部件成为现实的硅粒子的超晶格的方法，结果完成了本专利技术。即，本专利技术的硅粒子超晶格是由多种硅粒子构成的硅粒子超晶格，其特征在于该硅粒子的平均粒径为1～50nm，粒径的变动系数为20％以下。另外，本专利技术的硅粒子超晶格的制备方法的特征在于具有如下工序在水中分散具有疏水性的硅粒子而成的悬浮液中添加疏水性溶剂后，静置，在水相与有机相的界面上整齐排列硅粒子的工序，包括“上述悬浮液含有氢氟酸”、“上述疏水性溶剂是1-辛醇“作为优选的方式。另外，本专利技术的硅粒子超晶格结构物的特征在于在具有疏水性表面的固体基板的疏水性表面上具有上述硅粒子超晶格，包括“上述固体基板是硅基板或石墨基板”作为优选的方式。此外，本专利技术的发光元件和电子部件的特征在于具有上述硅粒子超晶格、上述硅粒子超晶格结构物的至少一种。本专利技术的硅粒子是粒径为1～50nm，而且比较均匀的纳米粒子，而且，Na、Fe、Al、Cl的总量为10ppm以下，而且是高纯度的。一般来说，硅粒子具有基于量子理论的限制效应或表面能级效应的与块状硅不同的能带结构，显示在块状硅中不能观察到的发光现象时的粒径为1～5nm，应用于电子部件时重要的量子阱结构，在10nm以下、且具有均匀粒径的粒子的聚集体中能识别出。本专利技术的硅粒子的粒径为1～50nm，包括表现出这些量子理论的限制效应、表面能级效应或量子阱结构的粒径范围。另外，如果硅含有Na、Fe、Al或Cl等杂质，在能带结构内形成杂质能级，这会引起发光元件的发光效率的降低或电子部件的故障。本专利技术的硅粒子的Na、Fe、Al、Cl的总量为10ppm以下，因此，不形成杂质能级，不产生发光元件或电子部件的上述麻烦。因此，本专利技术的硅粒子与以前的硅纳米粒子不同，作为高性能发光元件或电子部件用的原料粉未的实用性高。另外，本专利技术的硅粒子的制备方法是使用特定的含硅气体(甲硅烷气体)作为原料，在特定的条件下使原料与氧化性气体反应，一旦合成内含硅粒子的硅氧化物，则进一步在特定的条件下进行加热处理，然后利用氢氟酸除去过量的硅氧化物，该方法与以前的硅纳米粒子的制备方法不同，生产率高，还可以实现工业规模的生产。因此，可以应用于工业规模的硅纳米粒子的发光元件或电子部件，在产业上非常有用。构成本专利技术的超晶格的硅粒子平均粒径1～50nm，比较均匀，而且粒径的变动系数为20％以下。所谓超晶格是原子或分子聚合而成的粒子之间进一步相互聚合，二维或三维地、周期性地规则排列的晶格状的粒子聚集体，粒径偏差小的本专利技术的超晶格能够以优异的周期性排列表面能级偏差小的粒子，因而能够稳定地生产所期望的具有能带结构的材料。象这样，硅粒子超晶格能够根据使用目的而创造各种能带结构，因此，当用作发光元件时，能够获得充分的发光效率，当用作电子部件时，创造出不易产生故障的材料。因此，能容易地提高电子仪器的性能，非常有助于工业规模的功能性材料的制造技术，在工业上非常有用。附图说明 表示本专利技术的硅粒子超晶格的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅粒子，其特征在于：粒径为１～５０ｎｍ，Ｎａ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｃｌ的总量为１０ｐｐｍ以下。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤井一，木村启作，川崎卓，冈田拓也，
申请(专利权)人：电气化学工业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]