[发明专利]一种Si3N4单晶低维纳米材料可控掺杂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种Si₃N₄单晶低维纳米材料可控掺杂新方法，属于材料制备技术领域。

技术背景

当材料尺寸减少到纳米量级时，由于纳米材料的一系列特殊效应，材料的性质将发生很大的变化，产生许多新的优于传统材料的各种功能特性，在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景。在纳米材料科学的研究中，纳米材料的制备科学占据极为重要的地位，对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。

哈佛大学科学家Lieber教授认为：“一维体系是可用于电子有效传播及光激发的最小维度结构，因此可能成为实现纳米器件集成与功能的关键”。低维纳米结构如纳米线和纳米管等是人们研究材料的电学、热学和力学性能与维度和量子限制效应相关性的一种有效的研究系统。这些低维纳米结构，有可能在制备纳米尺寸的电子、光电、电化学和电机械器件时作为连接和功能单元发挥重要作用。其中，低维Si₃N₄具有很高的强度，重量轻，良好的热冲击和抗氧化能力，因而在制备高性能复合材料，特别是在制备苛刻使用环境下的纳米光电子器件、高强度细小尺寸复合材料构件和薄型复合材料构件、纳米增强复合材料方面具有非常诱人的应用前景。到目前为止，合成Si₃N₄纳米线的方法有：高温条件下的碳热还原和直接氮化反应法，高氮气压环境下的燃烧反应法；CVD和微波等离子体加热法等。

最近几年，以过渡金属或稀土离子为激活离子的纳米发光材料开始受到国内外许多学者的关注，人们发现通过适当的掺杂可以使得纳米材料的光电等性能得到很大程度的改善和提高。Si₃N₄是一种宽能带的半导体(5.3ev)，有效的一种方法是通过掺杂等手段降低其能带以调控其电学和光学性能，从而制备出能够在高温和高辐射环境下使用的纳米电子器件。如Munakata等人通过对Si₃N₄进行Al掺杂，将其能带从5.3ev降低到2.4ev。这些研究表明，Al掺杂是改善和提高Si₃N₄低维纳米材料光电性能的一种非常有效的手段。但到目前为止，对Si₃N₄掺杂改性的研究还鲜有报道，而且已有的报道所采用的方法都是在初始原料中直接加入所期望掺杂的金属单质或者金属化合物，这些工作对Si₃N₄低维纳米材料掺杂量有限，同时无法对掺杂量进行调控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种Si₃N₄单晶低维纳米材料可控掺杂的新方法。本发明的方法的设备和工艺简单可控，并具有很好的可重复性，在合成Si₃N₄单晶低维纳米材料的同时即实现掺杂，最大的优点在于能够实现对低维纳米材料的掺杂量进行设计和调控，从而达到对其光电性能的调控。同时，在理论上，这种方法可以拓展到所有的低维纳米材料的掺杂改性当中，有望成为实现单晶低维纳米材料可控掺杂的一种普适方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该Si₃N₄单晶低维纳米材料的方法，其包括以下具体步骤：

1)球磨混合：将原料两种有机前驱体按不同比例置于球磨罐中行星球磨，使得原料混合均匀；

2)低温交联固化：有机前驱体球磨混合均匀后在保护气氛下于进行低温交联固化，得到非晶态固体；

3)高能球磨粉碎：将非晶态固体装入尼龙树脂球磨罐中在高能球磨机中进行干法球磨粉碎，球磨的同时引入催化剂，使得非晶态粉末与催化剂混合均匀；

4)高温热解：高能球磨后的混合物进行高温热解，在一定热解温度于保护气氛下热解一定时间即可得到具有不同掺杂量的单晶低维纳米材料。

所述步骤(1)中，使用的原料为聚硅氮烷和异丙醇铝，亦可采用含有其他金属元素的有机前驱体从而实现相应的其他元素的掺杂。

所述步骤(1)和(3)中，优先选用的磨介为Si₃N₄陶瓷球，使用的球磨罐为尼龙树脂球磨罐，亦可使用陶瓷球磨罐，避免使用不锈钢等金属球磨罐以减少引入其他杂质污染。

所述步骤(3)中，所使用的球磨方式为高能球磨，所引入的催化剂为FeCl₂。亦可采用其他的金属元素及其化合物，如Fe、FeNO₃、Al、Ni和Co等。