一種低成本無污染單根硼氮納米線可控生長(zhǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種低成本低污染單根硼氮納米線可控生長(zhǎng)方法，屬于無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料的制取與生成方法的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氮化硼是一種十分重要的II1- V族化合物，主要有四種結(jié)構(gòu):六方氮化硼(h-BN)、立方氮化硼(C-BN)、纖鋅礦結(jié)構(gòu)氮化硼(W-BN)和三方氮化硼(r-BN)。它具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、寬帶隙、高熱導(dǎo)率、抗氧化性等優(yōu)異的物理化學(xué)性能。在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應(yīng)用前景。因此，氮化硼納米材料的制備、納米結(jié)構(gòu)的表征、納米器件的組裝、氮化硼增韌陶瓷以及光、電學(xué)性能的測(cè)試等成為當(dāng)今無機(jī)納米材料領(lǐng)域中的重要研宄方向，許多國家投入了大量的資金對(duì)其進(jìn)行研宄。
[0003]氮化硼納米材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與光電學(xué)性能，有著巨大的應(yīng)用前景。目前，通過化學(xué)氣相沉積法方法已經(jīng)能制得大量的硼氮納米線、納米管以及一些二維納米片等。但是，這些方法都有著比較嚴(yán)重的缺陷，比如，目前氮化硼納米材料制備還是以具有腐蝕性的氨氣為主，而且使用硼烷、三聚氰胺等有毒有害的原料；制備出的納米線形貌不規(guī)則、取向不可控；不利于大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是采用一種新的低成本低污染方法制備取向可控的硼氮納米線，即在等離子體輔助的化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，以氧化硼為原料，電離氮?dú)夂蜌錃獾姆椒ㄈ〈睔?，直接在硅襯底上制備出取向可控生長(zhǎng)的非晶硼氮納米線，對(duì)推動(dòng)納米電子器件的制備具有重要意義。而且本發(fā)明制備工藝十分簡(jiǎn)單，沒有使用有毒有害原料，成本低廉，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)提供了可能。
[0005]本發(fā)明的目的是采用一種新的低成本低污染制備生成方法制備取向可控的非晶硼氮納米線的方法，包括以下步驟:
[0006](I)把氧化硼粉末置于石英舟中，將納米線生長(zhǎng)基底覆蓋于石英舟上，然后將石英舟放入管式爐中；
[0007](2)對(duì)管式爐進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度低于1Pa后，通入氮?dú)猓?br>[0008](3)在 N2氣氛中升溫到 800-1100°C ；
[0009](4)達(dá)到所需溫度后，通入氫氣，調(diào)整NjPH2，流量比例為1:1至4:1，打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到60W，對(duì)氣體進(jìn)行放電，此時(shí)氣壓為30-100Pa，反應(yīng)時(shí)間I個(gè)小時(shí)；
[0010](5)反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉射頻與停止通入氫氣，冷卻到室溫后即在基底上獲得沿某種取向生長(zhǎng)的單根BN納米線。
[0011]進(jìn)一步步驟(I)中，使用不同晶面取向的硅襯底覆蓋在石英舟上來調(diào)控納米線的生長(zhǎng)方向。
[0012]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0013](I)本發(fā)明使用無毒無污染的原料，簡(jiǎn)單的設(shè)備，制備出了在硅襯底上沿水平方向生長(zhǎng)的硼氮納米線，其直徑大約為150nm，長(zhǎng)度能達(dá)到10 μ m以上；
[0014](2)在Si (100)襯底上，納米線沿著兩個(gè)方向生長(zhǎng)，且這兩個(gè)方向互相垂直；在Si(IlO)襯底上，納米線只沿著一個(gè)方向生長(zhǎng)；在Si(Ill)襯底上，納米線沿著三個(gè)方向生長(zhǎng)，任意兩個(gè)方向的夾角為60°。通過不同取向硅襯底表面晶體微結(jié)構(gòu)特征以及電鏡分析，發(fā)現(xiàn)納米線總是在基底表面沿著Si〈110>取向定向生長(zhǎng)。
【附圖說明】
[0015]圖1為實(shí)施例1中制備的Si(10)襯底生長(zhǎng)的硼氮納米線的SEM圖譜，從圖上我們可以看到兩個(gè)方向生長(zhǎng)的納米線互相垂直；
[0016]圖2為實(shí)施例1中制備的Si(10)襯底生長(zhǎng)的硼氮納米線的AFM圖譜，從圖上可以看到納米線寬度大概在200nm左右，高度在1nm左右；
[0017]圖3為實(shí)施例6中制備的Si(IlO)襯底生長(zhǎng)的硼氮納米線的SEM圖譜，從圖上可以看到納米線只沿著一個(gè)方向生長(zhǎng)；
[0018]圖4為實(shí)施例6中制備的Si(Ill)襯底生長(zhǎng)的硼氮納米線的SEM圖譜，從圖上可以看到納米線有三個(gè)生長(zhǎng)方向，且任意兩個(gè)方向的夾角為60° ;
[0019]圖5為實(shí)施例6中制備的硼氮納米線的取向與襯底的關(guān)系圖，(a)和(d)表明，在Si(10)襯底上，納米線沿Si [011]和Si [0-11]方向生長(zhǎng)；(b)和(e)表明，在Si(IlO)襯底上，納米線只沿著Si [1-10]方向生長(zhǎng)；(c)和(f)表明，在Si(Ill)襯底上，納米線沿著Si[-101], Si [1-10]和Si[0-ll]方向生長(zhǎng)?？偠灾诓煌∠虻墓枰r底上，納米線都是沿著Si〈110>方向取向生長(zhǎng)；
[0020]圖6為實(shí)施例1中制備的硼氮納米線的軸向TEM圖譜，(a)為Si (100)襯底上單根納米線的軸向TEM圖，從圖上可以看出納米線是由一個(gè)個(gè)非晶量子點(diǎn)組成；(b)為納米線的局部放大圖，從圖中可以看到量子點(diǎn)生長(zhǎng)進(jìn)襯底里；(c)是非晶硼氮納米線內(nèi)含有的一些六方氮化硼的小晶粒；
[0021]圖7為圖6中所示的單根硼氮納米線的電子能量損失圖譜(EELS)，結(jié)果表明納米線確實(shí)含有硼氮兩種元素。實(shí)施例1-7均有這樣的圖譜出現(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
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[0022]下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，本發(fā)明絕非局限于所陳述的實(shí)例。
[0023]實(shí)施例1:
[0024](I)取規(guī)格為88mmX 15mmX9mm的石英舟，將三分之一石英舟高度的氧化硼粉末鋪在石英舟內(nèi)，將取向?yàn)镾i (100)硅襯底蓋在石英舟上，然后將石英舟放入管式爐中；
[0025](2)對(duì)管式爐進(jìn)行抽真空，真空度小于1Pa后，通入N2，流量為20sccm ；
[0026](3)設(shè)定管式爐以10°C每分鐘的升溫速率，在N2氣氛中升溫到1000°C，
[0027](4)溫度達(dá)到1000°C后，通入H2，流量為lOsccm，隊(duì)和!12流量比為2:1。
[0028](5)打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到60W，對(duì)氣體進(jìn)行放電，此時(shí)氣壓在45Pa，反應(yīng)時(shí)間I個(gè)小時(shí)；
[0029](6) I個(gè)小時(shí)后，關(guān)閉射頻電源，關(guān)閉氫氣，樣品在氮?dú)鈿夥罩欣鋮s到450°C后，關(guān)閉電源，樣品自然冷卻到室溫。
[0030]反應(yīng)結(jié)束后，在襯底上制備出了沿兩個(gè)方向生長(zhǎng)的納米線，并且這兩個(gè)方向互相垂直，其SEM圖見圖1.
[0031]實(shí)施例2:
[0032]將溫度升至800°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在Si(10)襯底上生成與實(shí)施例1類似的納米線產(chǎn)物。
[0033]實(shí)施例3:
[0034]將溫度升至1100°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在Si (100)襯底上生成與實(shí)施例1類似的納米線產(chǎn)物。
[0035]實(shí)施例4:
[0036]將N2的速率調(diào)整為lOsccm，此時(shí)1和!12流量比為1: 1，此時(shí)反應(yīng)氣壓為30Pa，其余條件與實(shí)施例1 一致，在Si(10)襯底上生成與實(shí)施例1類似的納米線產(chǎn)物。
[0037]實(shí)施例5:
[0038]將N2的速率調(diào)整為40sccm，此時(shí)N 2和H 2流量比為4:1，此時(shí)反應(yīng)氣壓為60Pa，溫度升至1000°C，其余條件與實(shí)施例1 一致，在Si (100)襯底上生成與實(shí)施例1類似的納米線產(chǎn)物。
[0039]實(shí)施例6:
[0040]一次性將Si (100) ,Si (110)和Si (111)襯底覆蓋在同一石英舟上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)施例1 一致。在Si (100)襯底上生成的納米線與實(shí)施例1 一致；在Si (110)襯底上生成的納米線只沿一個(gè)方向生長(zhǎng)，其SEM圖見圖3 ;在Si (111)襯底上制備出的納米線有三個(gè)生長(zhǎng)方向，且任意兩個(gè)方向的夾角為60°，其SEM圖見圖4。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低成本低污染單根硼氮納米線可控生長(zhǎng)方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)把氧化硼粉末置于石英舟中，將納米線生長(zhǎng)基底覆蓋于石英舟上，然后將石英舟放入管式爐中； (2)對(duì)管式爐進(jìn)行抽真空，當(dāng)真空度低于1Pa后，通入氮?dú)猓? (3)在N2氣氛中升溫到800-1100°C； (4)達(dá)到所需溫度后，通入氫氣，調(diào)整隊(duì)和H2，流量比例為1:1至4:1，打開射頻電源，將射頻功率調(diào)到60W，對(duì)氣體進(jìn)行放電，此時(shí)氣壓為30-100Pa，反應(yīng)時(shí)間I個(gè)小時(shí)； (5)反應(yīng)結(jié)束后，關(guān)閉射頻與停止通入氫氣，冷卻到室溫后即在基底上獲得沿某種取向生長(zhǎng)的單根BN納米線。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種低成本低污染單根硼氮納米線可控生長(zhǎng)方法，其特征在于:步驟(I)中，使用不同晶面取向的硅襯底覆蓋在石英舟上來調(diào)控納米線的生長(zhǎng)方向。
【專利摘要】一種低成本無污染單根硼氮納米線可控生長(zhǎng)方法屬于無機(jī)化合物半導(dǎo)體材料的制備領(lǐng)域。本發(fā)明采用PECVD方法，未使用任何催化劑，首次在硅襯底上水平生長(zhǎng)出了規(guī)則排列的硼氮納米線。納米線在Si(110)襯底上僅沿著一個(gè)方向生長(zhǎng)；在Si(100)襯底上生長(zhǎng)的納米線互相垂直；在Si(111)襯底上納米線有三個(gè)生長(zhǎng)方向，且任意兩個(gè)方向之間的夾角為60°。通過不同硅襯底表面晶體微結(jié)構(gòu)特征以及電鏡分析，發(fā)現(xiàn)納米線總是在基底表面沿著Si<110>取向定向生長(zhǎng)。TEM顯示納米線是由一系列生長(zhǎng)進(jìn)襯底里的非晶量子點(diǎn)組成，電子能量損失譜(EELS)表明納米線確實(shí)由硼氮組成。本發(fā)明簡(jiǎn)單，將對(duì)推動(dòng)納米器件的制造具有重要的意義。
【IPC分類】C23C16-505, C23C16-34
【公開號(hào)】CN104674187
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510101325
【發(fā)明人】王如志, 蘇超華, 張躍飛, 嚴(yán)輝, 王波, 朱滿康, 侯育冬, 張銘, 宋雪梅, 劉晶冰, 汪浩
【申請(qǐng)人】北京工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月8日