[发明专利]氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体及其制备方法

说明书

技术领域  本发明涉及一种微米级块状硅基复合体及制法，尤其是一种氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体及其制备方法。

背景技术  随着传统的硅基材料的微型化，硅半导体材料面临的一个长期的问题就是如何将纳米结构自组装在硅片衬底上以形成某种功能器件。在这些纳米器件中，准一维纳米材料，包括纳米线、纳米棒、纳米带和纳米管等，因具有小的尺寸和维度而具有特殊的物理和化学性能，在许多的领域具有广泛的应用。例如，作为一种重要的发光材料，氧化硅纳米线可以应用于集成光学器件、光波导、近场光学探针等。三元硅酸锌纳米线，特别是过渡族或者稀土族金属掺杂的硅酸锌纳米线，是一种重要的绿光发光材料，可以广泛应用于发光载体、等离子体显示屏、阴极射线管和荧光灯。因此，将这些准一维纳米材料作为基本的组成元件，在硅片衬底上自组装形成复合结构，有着非常广泛的应用前景。为此，人们作了不懈的努力，如在2003年出版的《化学物理快报》第367卷的第339～343页中的“大面积合成直的氧化硅纳米线阵列”(A simple large-scale synthesis of very long aligned silicananowires.Chem.Phys.Lett.2003，367，339～343.)一文就介绍了一种在硅片上生长氧化硅纳米线阵列的方法。它是以硅片为原料和生长的衬底，在对放置有多只硅片的管式炉抽真空后，于向管式炉中通入纯度为99.99％的氩气的同时，先以10℃/min的加热速率升温至800℃后保温30分钟，然后再以相同的加热速率升温至1300℃，并在该温度下保温5个小时，最终降至室温；其制成品为氧化硅纳米线簇生在硅片上。但是，这种生长方法存在着不足之处，首先，不能在硅基底上生长出由氧化硅纳米线或硅酸锌纳米线构成的嵌入硅基底中的微米级空心块状物；其次，生长的工艺繁杂，耗能、费时，既要对管式炉抽真空，又需向其中通入高纯度的氩气，所需加热的温度还高，升温和保温的时间又长。

发明内容本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种在硅基底上生成的、嵌入其内的、由氧化硅纳米线或硅酸锌纳米线构成的微米级空心块状物的氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体的制备方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体包括硅基底和其上的纳米线阵列，特别是所说硅基底上生成有嵌入硅基底内的微米级空心块状物，所说微米级空心块状物的内壁上生成有纳米线阵列，所说纳米线阵列为氧化硅或硅酸锌纳米线阵列。

作为氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体的进一步改进，所述的微米级空心块状物的三维尺寸均分别为100～200μm；所述的氧化硅或硅酸锌纳米线的长度为2～8μm、直径为10～100nm。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体的制备方法包括化学气相沉积法，特别是它是按以下步骤完成的：将硅基底和表面覆有锌粉的碳酸锌粉置于流动的氩气气氛中，其中，硅基底位于表面覆有锌粉的碳酸锌粉的下游，在900～1100℃下反应10～20min或50～70min，制得氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体。

作为氧化硅或硅酸锌纳米线组装的微米级块状硅基复合体的制备方法的进一步改进，所述的锌粉的纯度为≥99.99wt％，细度为150～250目；所述的碳酸锌粉的纯度为≥99.9wt％，细度为150～250目；所述的流动的氩气气氛为50～70sccm的氩气；所述的硅基底与表面覆有锌粉的碳酸锌粉的间距为3～5cm；所述的升温至900～1100℃的升温速率为25～35℃/min，反应结束后，自然降温至室温；所述的硅基底为n型(100)方向的硅片。