一种生长纳米晶硅粉体的方法技术

本发明专利技术公开了一种生长纳米晶硅粉体的方法，包括以下步骤：从进气管道向反应腔中通入混合气体；通过射频源向竖直设置的电极中输入射频交流电，使得工作气体放电，在石英片之间形成等离子体区；反应气体在等离子体区被等离子分解，分解的碎片形成纳米晶硅核；通过调整通入的气体的流量和/或调整反应腔的压强，即可控制反应气体流经等离子区的时间，通过控制停留时间来控制生长纳米晶硅颗粒的大小；纳米晶硅颗粒随着气流流出等离子区后停止生长，在收集网上进行收集，得到粒度分布均匀的纳米晶硅粉体。本发明专利技术操作简单，温度要求较低，不需要加热装置，能生产粒度分布均匀、可控的纳米晶硅粉体，可以实现产业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米晶硅粉体的制备方法，尤其是一种利用射频介质阻挡放电产生的等离子体来连续生长单分散的纳米晶硅粉体的方法。
技术介绍
由于纳米结构的量子限制效应，硅纳米结构材料呈现出了宽范围的能级可调和室温发光特性，在光电器件、全色显示、太阳能电池、生物荧光标记、光通讯和硅基光集成等领域具有巨大应用潜力。目前，多种技术已被应用于纳米尺寸的纳米晶硅粉体的制备，常用的制备方法主要有化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、化学溶液沉淀法、脉冲激光烧蚀法等。其中，溶胶-凝胶法及化学溶液沉淀法都属于液体化学反应，不需要复杂的设备，但是颗粒团聚现象比较严重，获得粒径小、分布窄的颗粒很难；脉冲激光烧蚀法装置复杂，需要价格昂贵的高功率激光器，且产量少；相较而言，化学气相沉积法将原料气体分解再凝聚成晶核，晶核在加热区张成颗粒，此方法操作简单，可以实现产业化生产，是目前人们最常采用的一种方法。常用的等离子体增强化学气相沉积装置大部分都是用来沉积薄膜的，电极都是上下平行放置，在下电极上放上基片，原料气体形成等离子体后在基片上沉积，最后形成薄膜，一般还需要在电极上加热，有利于薄膜形成。通常沉积薄膜的压强要求低于lOOpa。也有少部分这样的装置用于生长纳米颗粒，但是需要高真空设备及加热装置，后处理还需要退火装置，因此生产工艺比较复杂，而且控制粒子大小只能通过开启、关闭射频源实现。开射频源的时候生成等离子体，开始生长粒子，关射频源粒子停止生长，如此控制停留时间来达到控制粒子大小的目的。文献"L. Mangolini, E. Thimsen, U. Kortshagen. High-Yield Plasma Synthesis of Luminescent Silicon Nanocrystals, NANO LETTERS, 2005, 5 (4) : 655-659. "7^JfJ-种基于等离子体增强化学气相沉积法制备纳米晶硅粉体的方法和装置，使用一种喷流装置来产生介质阻挡放电等离子体，其中充当电极的铜环套在通气管道上，原料气体从上而下经过通电形成的等离子体区，气体分解生长成纳米晶硅颗粒，然后在下部的收集网上完成收集，这种方法产生的等离子体稳定性差，原料气体不能充分分解，而且生成的纳米晶硅粉体的均勻性无法保证，即不能精确控制纳米晶硅粒子大小，因此不适合大规模产业化生产。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种生产工序简单、原料气体分解充分，并且能够精确控制纳米晶硅粒子大小的连续生长纳米晶硅粉体的方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是，其关键在于包括以下步骤A、从进气管道向反应腔中通入混合气体，流量比例为氩气30-150sCCm，硅烷 0. 8-1.3SCCm，氢气I-IOsccm的放电混合气体；其中，氩气为工作气体，硅烷氢气为反应气体；B、通过射频源向竖直设置的一对电极中输入射频交流电，使得工作气体放电，在做为电极阻挡层的石英片之间形成等离子体区；C、所述反应气体在等离子体区被等离子分解，分解的碎片形成纳米晶硅核；D、通过流量表调整通入的气体的流量L和/或通过真空泵调整反应腔的压强P，即可控制反应气体流经等离子区的时间，通过控制停留时间t来控制生长纳米晶硅颗粒的大小， 所述停留时间t与气体流量L和反应腔压强P的关系为,其中，P。为标准大气压，V为反应腔体积；Ε、所述的纳米晶硅颗粒随着气流流出等离子区后停止生长，在收集网上进行收集，得到粒度分布均勻的纳米晶硅粉体。步骤A中所述混合气体比例为氩气80sccm，硅烷1. 3sccm，氢气lOsccm，气体总流量主要依靠氩气流量调节。步骤B中所述射频交流电的频率为13. 56MHz，功率为18-100W。所述反应腔的压强P为100-3000帕。所述生长纳米晶硅粉体使用的装置，其关键在于包括反应腔，设置在反应腔顶部的进气管道，设置在反应腔底部的收集腔，位于反应腔外部的射频源，以及设置在收集腔内部的收集网；一对电极在反应腔中竖直设置，电极对应的两端固定有充当介质阻挡层的石英片形成一对平行板，所述收集腔的底部连接有真空泵，位于收集腔的内部且在收集网的下面设有可调挡板。所述进气管道上设置有流量表，进气管道的内部套装有用以限流的石英导流管。所述电极为外部包有一层绝缘体的铝棒，铝棒的内部设有用以通冷却水以防所述铝棒过热烧毁的盲孔。所述反应腔与收集腔之间设有防止纳米晶硅粉体飘散的玻璃限流管。所述收集网为不锈钢网。所述收集腔的外部设有测其内部气压的压强表。采用上述技术方案所产生的有益效果在于本专利技术的射频介质阻挡放电具有低温、高气压、非平衡的特点，使其与其它等离子体产生装置相比具有独特的优势在射频介质阻挡条件下可以产生更多的活性粒子，电子的数量较多，电子的能量较高，所以可以使激发、电离、解离等过程进行的更加充分，进而可以产生更多的离子、自由基、分子、原子等活性粒子，有利于反应气体充分分解；而且这种方法产生的冷等离子体是非热平衡等离子体，电子温度高达20 000-50 000 K ( 2-5 eV)，而粒子和气体温度接近室温。当电子与离子结合时会产生放热反应，使离子表面温度升至几百 K，有利于纳米晶硅颗粒的形成。本专利技术使用的电极可以在较高压强下方便地产生大面积的低温等离子体，放电可长时间进行，且放电均勻，是一种在大气压条件下获得非平衡等离子体的有效手段。而且， 作为阻挡层的平行板更容易把加在电极上的射频源能量均勻耦合到反应腔中。平行板相对竖直放置，可以实现一直开着射频源，通过气体的流动达到控制停留时间的目的，反应气体经过等离子体区生长成几纳米的颗粒后再通过气流流到下面的收集网上进行收集。本专利技术操作简单，设备成本低，是一种经济实用的生产纳米晶硅粉体的装置。通过流量表调整气体的流量和/或通过真空泵和可调挡板调整反应腔的压强，控制反应气体在等离子区的停留时间，即控制纳米晶硅的生长时间，获得生产粒度分布均勻、可控的纳米晶硅粉体，可以实现大规模产业化生产。附图说明图1是生长纳米晶硅粉体的装置的结构示意图； 图2是图1中的反应腔的局部图3是图1中的电极通冷却水的示意图中，1、反应腔，2、进气管道，3、收集腔，4、石英导流管，5、收集网，6、射频源，7、真空泵，8、可调挡板，9、电极，10、石英片，11、等离子区，12、玻璃限流管，13、压强表，14、流量表， 15、冷却水进水管，16、铜环，17、聚四氟乙烯涂层，18、冷却水出水管。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。，其关键在于包括以下步骤A、从进气管道2向反应腔1中通入混合气体，流量比例为氩气30-150sCCm，硅烷 0. 8-1. 3SCCm，氢气1-lOsccm，其中，氩气为工作气体，硅烷氢气为反应气体；B、通过射频源6向水平设置的一对电极9中输入射频交流电，使得工作气体放电，在做为电极阻挡层的石英片10之间形成等离子体区11 ；C、所述反应气体在等离子体区11被等离子分解，分解的碎片形成纳米晶硅核；D、通过流量表14调整通入的气体的流量L和/或通过真空泵7调整反应腔1的压强 P，即可控制反应气体流经等离子区11的时间，通过控制停留时间t来控制生长纳米晶硅颗粒的大小，所述停留时间t与气体流量L和反应腔压强P本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种生长纳米晶硅粉体的方法，其特征在于包括以下步骤：Ａ、从进气管道（２）向反应腔（１）中通入混合气体，流量比例为：氩气３０－１５０ｓｃｃｍ，硅烷０．８－１．３ｓｃｃｍ，氢气１－１０ｓｃｃｍ，其中，氩气为工作气体，硅烷、氢气为反应气体；Ｂ、通过射频源（６）向竖直设置的一对电极（９）中输入射频交流电，使得工作气体放电，在做为电极阻挡层的石英片（１０）之间形成等离子体区（１１）；Ｃ、所述反应气体在等离子体区（１１）被等离子分解，分解的碎片形成纳米晶硅核；Ｄ、通过流量表（１４）调整通入的气体的流量Ｌ和／或通过真空泵（７）调整反应腔（１）的压强Ｐ，即可控制反应气体流经等离子区（１１）的时间，通过控制停留时间ｔ来控制生长纳米晶硅颗粒的大小，所述停留时间ｔ与气体流量Ｌ和反应腔压强Ｐ的关系为：，其中，Ｐ０为标准大气压，Ｖ为反应腔体积；Ｅ、所述的纳米晶硅颗粒随着气流流出等离子区（１１）后停止生长，在收集网（５）上进行收集，得到粒度分布均匀的纳米晶硅粉体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：于威，徐艳梅，王新占，詹小舟，傅广生，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：13