一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术是一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管及其制备方法和应用，该方法采用硅、二氧化硅和红磷的混合粉末作为实验的起始原料，以少量稀土元素镧作为催化剂，通过热蒸发法在较高温度和较低压强的实验条件下，使硅原子堆积成核，制备出表面有小凸起、管身有斑点以及具有双壳层结构硅纳米管的新型一维纳米材料。该制备方法工艺简单，设备廉价，可获得晶体结构完整的新型一维纳米材料。该一维纳米材料的成功制备，可望在将来在纳米电子器件和硅基微电子技术等领域提供一种继碳纳米线、碳纳米管、硅纳米线和硅纳米管等一维纳米材料后又一种新材料。种新材料。种新材料。

【技术实现步骤摘要】
一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一维纳米材料、功能材料及纳电子技术等领域，尤其涉及一种新型一维纳米材料的制备方法及其应用价值。

技术介绍

[0002]一维纳米材料如碳纳米管、硅纳米线和硅纳米管等被发现以来，由于其具有优异的物理和化学性质，可与现有的硅基微电子技术相兼容等突出特点，具有非常大的应用价值，这使得其很有希望在储氢、锂离子电池、太阳能电池、生物医学、光电器件、光电子学、生物传感器、纳米电子及自旋电子器件等领域发挥出巨大的潜在应用。为了将来在制造器件和设备上有更多选择的材料应用，开发一种工艺简单、所需设备和材料相对廉价的方法，制备出一种新型的一维纳米材料，使其作为在将来制造器件和设备上的新材料尤为重要。

技术实现思路

[0003]本专利技术提出了制备一种新型一维纳米材料的制备方法，并且该方法工艺简单、原料廉价，所制备出的这种新型一维纳米材料有完整的晶体结构，可能在将来这种新型一维纳米材料有与硅纳米管和硅纳米线等一维材料相媲美的潜在应用价值。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0005]一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管，包括以下原料：硅粉(Si)1.4g、二氧化硅粉末(SiO2)2.2g、红磷(P)0.4g和催化剂0.1g。
[0006]优选的，所述催化剂为稀土元素镧(La)。
[0007]本专利技术还提出了一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1：将硅粉(Si)、二氧化硅粉末(SiO2)、红磷(P)和催化剂稀土元素镧(La)混合；
[0009]S2：将混合粉末放入高温管式炉中，在大气压强条件下，管式炉的最高温度为1400℃，保温时间为2h，并且以氩气(Ar)作为保护气体和载气，氩气流速控制在10
‑
150sccm(标准状态毫升/分)，在此条件下使硅原子堆积成核、长大，得到一种新型的一维纳米材料。
[0010]优选的，所述S2中，管式炉升温速率：200℃以下是5℃/min；200℃至1200℃范围内是10℃/min；1200℃至1400℃范围内是5℃/min。
[0011]优选的，所述S2中，所使用的衬底是刚玉舟。
[0012]本专利技术还提出了一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管的应用，所述硅纳米管具备双壳层结构，应用到硅基微电子技术和纳米电子器件领域上。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0014]本专利技术制备的新型一维纳米材料具有双壳层结构，在管身有颜色较深斑点，并且在管身两侧有小凸起结构；该方法制备的新型一维纳米材料工艺简单，设备廉价，并且结构完整，可能会在将来应用到硅基微电子技术和纳米电子器件等领域上，具有与现有的硅纳米管和硅纳米线等一维材料相媲美的应用潜力。
附图说明
[0015]图1为制备的新型纳米材料一般形貌的透射电子显微镜图像(TEM)；
[0016]图2为制备的新型纳米材料的高分辨透射电镜图像(HRTEM)；
[0017]图3为制备的新型纳米材料的高分辨透射电镜图像(HRTEM)；
[0018]图4是图3制备样品的进一步放大的高分辨透射电镜图像(HRTEM)；图5为制备的新型纳米材料的的EDS图像；
[0019]图6是在样品所选区的一定范围内(图5)的EDS图像；
[0020]图7是图3的样品HRTEM中的EDS图像分析的；
[0021]图8是图3中实验样品的XRD图像；
[0022]图9是图3中实验样品的光致发光光谱(PL光谱)。
具体实施方式
[0023]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0024]实施例
[0025]一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管的制备方法，包括以下步骤：
[0026]以2.2g二氧化硅粉末、1.4g硅粉末和0.4g红磷粉末为起始原料，添加0.1g稀土元素镧为催化剂进行混合；以氩气作为保护气，载气的流速控制在10
‑
150sccm范围内；实验的最高温度为1400℃，并且在最高温度的条件下保温2h；实验的升温速率为：200℃以下是5℃/min；200℃至1200℃范围内是10℃/min；1200℃至1400℃范围内是5℃/min，具体见表1。
[0027]表1是在实验中管式炉的升温过程
[0028]C10℃T140minC2200℃T2100minC31200℃T340minC41400℃T42hC51400℃T540minC61200℃T6100minC7200℃T720minC8100℃T8‑
121min
[0029]从以上实验方法制备的新型一维纳米材料的SEM图像(参照图1)可观察到有少量此产物生成；通过HRTEM图像(参照图2、图3和图4)观察此产物，可发现这种新型一维纳米材料为管状结构，在管身有颜色较深的斑点分布，并且在线两侧有小凸起，通过进一步的放大观察(参照图4)可发现此材料为双壳层结构；通过EDS图像(参照图5、图6和图7)结合表2的元素详细数据可知，该结构有Si、O和La元素；通过XRD图像(参照图8)可发现，有8个主要衍射峰，其2θ分别约为：20.908
°
、26.730
°
、28.546
°
、42.430
°
、47.399
°
、56.265
°
、69.297
°
和76.508
°
。其中20.908
°
和26.730
°
分别对应SiO2的(100)和(101)晶面；28.546
°
、47.399
°
、56.265
°
、69.297
°
和76.508
°
分别对应Si的(111)、(220)、(311)、(400)和(331)晶面；42.430
°
对应P的(002)晶面，证明该材料含有SiO2、Si和P。通过PL光谱图像(参照图9)可知，该材料在绿光和紫外线波段发光效果较佳，可应用于光伏器件领域。该新型材料可能会在
将来应用到硅基微电子技术和纳米电子器件等领域上，有望与现有的硅纳米管和硅纳米线等一维纳米材料相媲美的应用潜力。
[0030]表2：EDS图像分析的各种元素详细信息
[0031]元素重量百分比原子百分比OK53.1067.13SiK45.3232.64LaL1.570.23
[0032]以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术揭露的技术范围内，根据本专利技术的技术方案及其专利技术构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本专利技术的保护本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管，其特征在于，包括以下原料：硅粉1.4g、二氧化硅粉末2.2g、红磷0.4g和催化剂0.1g。2.根据权利要求1所述的一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管，其特征在于，所述催化剂为稀土元素镧。3.一种表面有凸起的双壳层结构硅纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将硅粉、二氧化硅粉末、红磷和催化剂混合；S2：将混合粉末放入高温管式炉中，在大气压强条件下，管式炉的最高温度为1400℃，保温时间为2h，并且以氩气作为保护气体和载气，氩气流速控制在10
‑
150sccm，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：田春，唐元洪，赵世华，冯扬，夏梓文，梁平，
申请(专利权)人：海南师范大学，
类型：发明
国别省市：