[发明专利]硼纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备硼纳米线的方法，特别是涉及采用化学气相沉积法制备硼纳米线的方法。

背景技术

自1992年饭岛首次发现碳纳米管之后(S.Jijima，Nature，354(1991)，56)，金属、半导体、氧化物以及复合物纳米一维材料的制备及应用引起了人们极大的兴趣，尤其是它们在电子、信息、生物医学、国防、能源等领域的潜在应用。

硼是IIIA族中唯一的一个半导体元素。由于硼具有独特的“三芯电子缺位键”的电子结构和特有的二十面体结构，可以形成以二十面体为结构单元的硼一维纳米材料(纳米管、纳米线、纳米带和纳米锥等)。而且单质硼是一个密度低、熔点高，难挥发的固体，其硬度仅次与金刚石，是少数几个可用于核反应、飞船增强材料和保护层、高温半导体等领域的元素。同时，实验结果也证实当硼形成一维纳米结构后，而由于尺寸效应的影响，其电导率比块体硼材料高2-3个数量级，属于半导体。所以，硼一维纳米结构材料所具有的均匀的物性--半导体特性以及很好的物理与化学稳定性，因此，硼一维纳米结构材料在场发射、储氢、储锂以及在高温轻材料、高温半导体器件和微波器件中具有潜在的应用价值。

硼纳米线的制备与碳纳米管比较，是非常困难，目前只有很少的文献报道制备硼纳米线的方法。在制备硼纳米线方面，主要有以氧化硼和硼为靶材，采用射频磁控溅射方法制备硼纳米线阵列(Liming Cao etal，Adv.Mater.13(2001)1701；Adv.Mater.，14(2002)1294)，采用这种方法制备硼纳米线阵列的方法，制备费用高，设备复杂，条件要求高且难控。此后，以硼和碘为前驱体，通过化学气相沉积的方法合成无定型的50-100nm硼线(Peidong Yang，Adv.Mater.13(2001)1487)；Lee等利用高温激光熔融Boron靶，在Ar和H₂气氛下，制备出无序的30～60nm非晶硼线(S.T.Lee，Chem.Phys.Lett.370(2003)825)；而Zhang等以B/NiCo为靶利用激光熔融制备出直径为100nm的晶态硼线(Yingjiu Zhang，Adv.Mater.(2002)2806)；还有以硼烷为原料，在Ar和H₂的混合气体，采用化学气相沉积的方法制备出晶态的40nm的硼线(Carolyn Jones Otten，J.Am.Chem.Soc.124(2002)4564)；Yang等人利用AAO作为模板，利用化学气相沉积方法，高温分解B₂H₆，Ar和H₂的混合气体制备出晶化的40nm硼线(Q.Yang，Chem.Phys.Lett.379(2003)87)。

上述所列制备方法，或以硼或硼化物为靶材，使用物理方法进行制备，或以毒性大、价格较贵的硼烷气体为源材料进行高温分解法制备硼一维纳米材料，得到的产物以无定形的硼线居多，产量不大，结晶度差，形貌和结构可控性差，并且生产成本相对昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用简单的化学气相沉积方法制备大面积、高质量的单晶硼纳米线的方法。

在本发明的制备硼纳米线的方法中，将硼粉、氧化硼和碳粉一起作为源材料，其中碳粉是作为还原剂，并且以Fe₃O₄、Au或Fe纳米粒子作为催化剂，该方法包括以下步骤：

(a)将表面活性剂包覆的Fe₃O₄和Au颗粒作为催化剂沉积在Si衬底上；或者用磁控溅射方法得到的铁颗粒覆盖的Si片、W片作为基底。

(b)在保护气体的气氛下，在900-1200℃的温度将源材料和沉积了催化剂的衬底一起加热，通过化学气相沉积形成硼纳米线，其中化学气相沉积CVD中的升温速度为5-100℃/min，载气流量为20-500sccm，反应时间为10min-24h。

本发明的制备硼纳米线的方法中的Fe₃O₄、Au或Fe纳米粒子包括有机分子包覆的、可溶于非极性溶剂的纳米粒子和水溶性分子包覆的、可溶于水溶液的Fe₃O₄纳米粒子。这些催化剂以颗粒或薄膜形式沉积在衬底上。

本发明的制备硼纳米线的方法中的衬底为硅片。

本发明的制备硼纳米线的方法中的保护气体是氩气、或氮气、或氮气/氢气、或氩气/氢气。