專利名稱：ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種ais/si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法，具體涉及一種形貌和直徑可控的ais/si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法。屬Si基半導(dǎo)體納米材料的可控合成領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于硅是一種重要的半導(dǎo)體材料，而一維納米異質(zhì)結(jié)擁有優(yōu)異的光電性能，使硅基的一維納米異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件上擁有巨大的應(yīng)用潛力。目前硅基的一維納米半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)已經(jīng)可以利用多種方法制備，例如化學(xué)氣相沉積法、脈沖激光沉積法和溶液生長法等。 雖然以上方法已經(jīng)可以制備出Si/Ge， Si/SiGe, Si/Si02，Si/Sn等異質(zhì)結(jié)，但卻很難控制生成的硅基半導(dǎo)體納米材料的形貌和直徑。由于納米材料的性能取決于其結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸和化學(xué)組分，因此可以控制直徑、形貌和化學(xué)組分的納米材料制備方法將在納米電學(xué)，納米光學(xué)和納米傳感器等領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種ais/si核殼納米線或納米帶的制備方法。該方法利用ZnS作為模板，采用簡單的兩步熱蒸發(fā)，通過選用不同形貌的ZnS模板和控制Si的沉積時間，制備出多種形貌和不同直徑的Zn/Si核殼結(jié)構(gòu)一維納米材料。本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種多晶Si管的制備方法。該方法利用本發(fā)明所述方法制備的多種形貌和不同直徑的Zn/Si核殼納米線或納米帶，經(jīng)過稀鹽酸處理，得到多種形貌和不同直徑的多晶Si管。為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是 一種ais/si核殼納米線或納米帶的制備方法，該方法包括如下步驟 a.不同形貌ZnS模板的制備
1)將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將ZnS粉末置于氧化鋁管中部作為蒸發(fā)源，將一個或多個表面覆金襯底，例如覆了 5納米金薄膜的襯底，放置在管中氣流方向的下游，所述ZnS粉的純度優(yōu)選不低于99. 90% ；
2)密封整個系統(tǒng)，將氧化鋁管內(nèi)預(yù)抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘 25 50立方厘米，并保持管中的壓強為IXlO4 Pa 4X IO4Pa,將氧化鋁管中部ZnS粉末所在位置以每分鐘10°C 50°C的速率加熱至1000°C 1100°C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900°C至400°C的溫度梯度，維持該溫度梯度廣5個小時；所述預(yù)抽真空是將管內(nèi)壓強控制為小于1X10—1 Pa，優(yōu)選小于6X10—2 Pa ；
3)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，在低溫區(qū)域的襯底上形成ZnS納米線，在高溫區(qū)域的襯底上形成ZnS納米帶，其中所述低溫區(qū)域的溫度為400°C飛50°C，所述高溫區(qū)域的溫度為750°C ^900oC ；優(yōu)選地，所述低溫區(qū)域的溫度為450°C飛20°C，所述高溫區(qū)域的溫度為780°C ^850°C ；更優(yōu)選地，所述低溫區(qū)域的溫度為500°C，所述高溫區(qū)域的溫度為800°C ；b. ZnS/Si核殼納米線或納米帶的制備
4)將SiO粉末至于氧化鋁管中部，將步驟3)中得到的載有ZnS納米線或ZnS納米帶的襯底放置在管中氣流方向的下游；
5)將管內(nèi)預(yù)抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘25 50立方厘米，并保持管中的壓強為IXlO4 I3aIXlO4Pa,將氧化鋁管中部SiO粉末所在位置以每分鐘 IO0C 50°C的速率加熱至1250°C 1350°C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900°C至 6000C的溫度梯度，維持該溫度梯度0. 5、個小時，使Si沉積在ZnS模板上形成SiS/Si核殼納米線或納米帶；所述預(yù)抽真空是將管內(nèi)壓強控制為小于IXKT1 Pa，優(yōu)選小于6X10_2 Pa ；
本發(fā)明可以通過維持上述溫度梯度的時間，來控制Si的沉積時間以便控制生成aiS/ Si核殼納米線的直徑或aiS/Si核殼納米帶的厚度，在所述步驟5)中，當(dāng)維持900°C至 600°C的溫度梯度30分鐘時，所述aiS/Si核殼納米線的直徑為18(T220nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為18(T220nm ；當(dāng)維持900°C至600°C的溫度梯度為60分鐘時，所述&iS/Si核殼納米線的直徑為48(T520nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為48(T520nm ；當(dāng)維持900°C至 600°C的溫度梯度為90分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為68(T720nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為68(T720nm ；當(dāng)維持900 ！至600°C的溫度梯度為120分鐘時，所述SiS/Si 核殼納米線的直徑為88(T920nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為88(T920nm。6)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，得到與ZnS納米線或納米帶形貌相同的 ZnS/Si核殼納米線或納米帶。進一步地，所述襯底可以為硅片、陶瓷片、石英片或者藍寶石片。為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案是
一種多晶Si管的制備方法，該方法是將本發(fā)明上述方法制備的載有ais/si核殼納米線或納米帶的襯底放在濃度為10%-35%的鹽酸溶液中浸泡30min，得到多晶Si管。本發(fā)明所述方法制備得到的兩種形貌的硅管，其形貌不同，性能也不同。本發(fā)明的有益效果是
1.目前現(xiàn)有技術(shù)中人們控制是通過控制催化劑顆粒的大小來控制納米線的直徑，但是，對于催化劑生長的納米線來說，增加生長時間，不能增加納米線的直徑。2.選用形貌多樣的ZnS做為模板，從而可以制備出形貌多樣的aiS/Si核殼結(jié)構(gòu)一維納米材料和多晶硅管。多種形貌的核殼結(jié)構(gòu)一維納米材料和硅管，目前還沒有人報道過，形貌某種程度上決定材料的性能。3.本發(fā)明提供了形貌和直徑可控的aiS/Si核殼結(jié)構(gòu)一維納米材料以及多晶Si 管制備方法。該方法操作簡單、可控性好、成本較低，適于大規(guī)模生產(chǎn)多種形貌、不同直徑的 Zn/Si核殼結(jié)構(gòu)一維納米材料及多晶Si管。


圖1 a) ZnS/Si核/殼納米線的低倍掃描電鏡(SEM)圖像(插圖為高倍SEM圖像);
b)ZnS/Si核/殼納米線的低倍透射電鏡(TEM)圖像(插圖為其對應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖像；
c)為ZnS核的高分辨透射電鏡(HRTEM)圖像；d)多晶Si外殼的HRTEM圖像；
圖2 a)以ZnS納米線為模板的SiS/Si核/殼納米線的TEM圖像；b)將a)中樣品用稀鹽酸處理得到的硅管的TEM圖像；c)以ZnS納米帶為模板的SiS/Si核/殼納米帶的TEM 圖像；d)將c)中樣品用稀鹽酸處理得到的硅管的TEM圖像；
圖3不同直徑的aiS/Si核/殼納米線a)約200nm ；b)約500nm ；c)約700nm ；d)約 900nmo
具體實施例方式實施例1
(1)制備ZnS模板
首先，將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將2g ZnS粉末(Alfa Aldrich, 99.99%)置于氧化鋁管中部作為蒸發(fā)源，將蒸鍍了 5納米金薄膜的硅片放置在管中氣流方向的下游。其次，密封整個系統(tǒng)，將管內(nèi)壓強抽至6X 10_2Pa，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘25立方厘米，并保持管中的壓強為4X 104Pa。將管子中部即ZnS粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1050°C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900 1至4001的溫度梯度，維持該溫度梯度大約4個小時。最后，停止加熱，將管子冷卻至室溫，在硅片溫度為500°C左右區(qū)域生成ZnS納米線，在硅片溫度為800°C左右區(qū)域生成ZnS納米帶。(2)制備aiS/Si核/殼納米線
首先，將SiO粉末(Alfa Aldrich, 99. 99%)至于氧化鋁管中部，將載有ZnS納米線的硅片放置在管中氣流方向的下游。將管內(nèi)壓強抽至6X10_2I^，通入摻有5% H2的高純Ar 氣，速率為每分鐘25立方厘米，并保持管中的壓強為4X104Pa。其次，將管子中部即SiO粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1350°C，此時所述硅片區(qū)域沿氣流方向具有900 ！至600°C的溫度梯度，分別維持該溫度梯度30、60、 90、120分鐘時，可以得到直徑為約200n m、約500nm、約700nm、約900nm的SiS/Si核/殼納米線。最后，停止加熱，將管子冷卻至室溫，此時ZnS納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其形貌相同的SiS/ Si核/殼納米線。(3)制備多晶Si管
將上述制得的ais/si核/殼納米線在濃度為ιο%鹽酸中浸泡半小時，得到了多晶硅管。實施例2
(1)制備ZnS模板
首先，將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將2g ZnS粉末(Alfa Aldrich, 99.99%)置于氧化鋁管中部作為蒸發(fā)源，將蒸鍍了 5納米金薄膜的硅片放置在管中氣流方向的下游。其次，密封整個系統(tǒng)，將管內(nèi)壓強抽至6X 10_2Pa，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘50立方厘米，并保持管中的壓強為lX104Pa。將管子中部即ZnS粉末所在位置以每分鐘50°C的速率加熱至1100 °C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900 1至4001 的溫度梯度，維持該溫度梯度大約2個小時。
最后，停止加熱，將管子冷卻至室溫，在硅片溫度為500°C左右區(qū)域生成ZnS納米線，在硅片溫度為800°C左右區(qū)域生成ZnS納米帶。( 2)制備SiS/Si核/殼納米帶
首先，將SiO粉末至于氧化鋁管中部，將載有ZnS納米帶的硅片放置在管中氣流方向的下游。將管內(nèi)壓強抽至6Χ10_2Ι^，通入摻有5% H2的高純Ar氣，速率為每分鐘25立方厘米，并保持管中的壓強為1X10^!。其次，將管子中部即SiO粉末所在位置以每分鐘20°C的速率加熱至1250°C，此時所述硅片區(qū)域沿氣流方向具有900 ！至600°C的溫度梯度，分別維持該溫度梯度30、60、 90、120分鐘時，可以得到厚度為約200nm、約500nm、約700nm、約900nm的SiS/Si核/殼納米帶。最后，停止加熱，將管子冷卻至室溫，此時ZnS納米帶轉(zhuǎn)變?yōu)榕c其形貌相同的SiS/ Si核/殼納米帶。(3)制備多晶Si管
將上述制得的aiS/Si核/殼納米帶在濃度為35%鹽酸中浸泡半小時，得到了多晶硅管。顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
權(quán)利要求
1. 一種ais/si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟a.不同形貌ZnS模板的制備1)將氧化鋁管安裝在真空管式爐中作為加熱腔，將ZnS粉末置于氧化鋁管中部作為蒸發(fā)源，將一個或多個表面覆金襯底放置在管中氣流方向的下游；2)密封整個系統(tǒng)，將氧化鋁管內(nèi)預(yù)抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘 25 50立方厘米，并保持管中的壓強為IXlO4I5a 4X IO4Pa,將氧化鋁管中部ZnS粉末所在位置以每分鐘10°C 50°C的速率加熱至1000°C 1100°C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900°C至400°C的溫度梯度，維持該溫度梯度廣5個小時；3)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，在低溫區(qū)域的襯底上形成ZnS納米線，在高溫區(qū)域的襯底上形成ZnS納米帶，其中所述低溫區(qū)域的溫度為400°C飛50°C，所述高溫區(qū)域的溫度為7500C ^900oC ；b.ZnS/Si核殼納米線或納米帶的制備4)將SiO粉末至于氧化鋁管中部，將步驟3)中得到的載有ZnS納米線或ZnS納米帶的襯底放置在管中氣流方向的下游；5)將管內(nèi)預(yù)抽真空，通入摻有5%H2的高純氬氣，速率為每分鐘25 50立方厘米， 并保持管中的壓強為IXlO4 I3aIXlO4Pa,將氧化鋁管中部SiO粉末所在位置以每分鐘 IO0C 50°C的速率加熱至1250°C 1350°C，此時所述襯底區(qū)域沿氣流方向具有900 °〇至 6000C的溫度梯度，維持該溫度梯度0. 5、個小時，使Si沉積在ZnS模板上形成SiS/Si核殼納米線或納米帶；6)停止加熱，將氧化鋁管冷卻至室溫，得到與ZnS納米線或納米帶形貌相同的SiS/Si 核殼納米線或納米帶。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述ais/si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟1)中，所述ZnS粉的純度不低于99. 90%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述低溫區(qū)域的溫度為450°C 520°C，所述高溫區(qū)域的溫度為780°C 850°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述低溫區(qū)域的溫度為500°C，所述高溫區(qū)域的溫度為800°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述襯底為硅片、陶瓷片、石英片或者藍寶石片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度30分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 18(T220nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為18(T220nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述aiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為60分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 48(T520nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為480 520歷。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為90分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 68(T720nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為68(T720nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述SiS/Si核殼納米線或納米帶的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中，維持900 ！至600°C的溫度梯度為120分鐘時，所述SiS/Si核殼納米線的直徑為 88(T920nm，ZnS/Si核殼納米帶的厚度為88(T920nm。
10. 一種多晶Si管的制備方法，其特征在于，該方法是將權(quán)利要求1、任一項所述的載有aiS/Si核殼納米線或納米帶的襯底放在濃度為109Γ35%的鹽酸溶液中浸泡30min，得到多晶Si管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管制備方法。本發(fā)明采用在真空管式爐中進行兩步熱蒸發(fā)，利用不同形貌的ZnS為模板，通過控制Si的生長時間合成了不同直徑的ZnS/Si核殼納米線或納米帶，再利用稀鹽酸處理得到多種形貌和不同直徑的多晶Si管。該方法操作簡單、可控性好，適于大規(guī)模生產(chǎn)多種形貌、不同直徑的ZnS/Si核殼納米線或納米帶及多晶Si管。本發(fā)明方法得到的一維納米材料在硅基集成電路、納米光學(xué)器件和納米傳感器等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C30B29/66GK102162135SQ20111005666
公開日2011年8月24日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者孟祥敏, 陳雪 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所