[发明专利]硫代氨基脲辅助低温合成氮化硅微米棒状晶体材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体材料制备技术领域，特别是宽禁带半导体材料合成技术领域，具体涉及一种硫代氨基脲辅助低温合成氮化硅微米棒状晶体材料的方法。

背景技术

氮化硅（Si₃N₄）是一种重要的宽禁带半导体材料，室温下禁带宽度为5.0eV，其所具有的独特结构和性质，受到人们越来越多的关注。同时，氮化硅又是一种性能优异的工程陶瓷和新型功能材料，具有独特的力学、化学、电学、热学等性质，已经在多领域内有广泛应用。其兼有多方面的优良性：烧结氮化硅的线膨胀系数比较低；具有优良的耐磨蚀性；具有较高的机械强度；具有良好的电绝缘性等。该材料在陶瓷发动机、微电子、空间科学和核动力工程等领域有着极为广阔的应用前景，因此对这种材料的研究具有重要的意义，其研究已成为该领域的研究热点之一。

目前，对氮化硅的研究多集中在制备阶段，且已取得了一定的进展，传统的制备方法：碳热还原法、硅粉直接氮化法、气相沉积法(CVD)、溶胶凝胶法、高温自蔓延合成法、热分解法等。陈宏等用溶胶-凝胶碳热还原法成功制备出Si₃N₄纳米粉末。李亚伟等采用硅粉氮化反应成功合成Si₃N₄。高纪明等用溶胶凝胶法成功制备出Si₃N₄纳米线。王声宏等用高温自蔓延合成法成功制备出Si₃N₄粉体。这些方法所需的反应温度都很高，一般在1100℃~1700℃之间，且得到的是颗粒状氮化硅，较难获得高纯度的一维Si₃N₄。另外关于低温制备Si₃N₄的研究较少。近年来，出现了一种新型制备粉体材料的方法，即溶剂热法。这种方法可以在相对较低的温度下制备出粉体材料。但存在材料纯度不高，结晶差、晶体尺寸较小一般在纳米范围，反应工艺很难重复等问题。因此，研究一种可在低温下合成纯度高、结晶质量较好的氮化硅晶体材料具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提出一种硫代氨基脲辅助低温合成氮化硅微米级棒状晶体材料的方法，该方法以硫代氨基脲为低温辅助剂，硅粉作为硅源，叠氮化钠作为氮源，采用溶剂热法制备出高质量的直径达微米级的Si₃N₄棒状晶体。硫代氨基脲作为低温辅助剂在反应中起着至关重要的作用，已有研究表明只将硅粉和叠氮化钠放在高压反应釜中加热到600℃都不发生反应。硫代氨基脲的加入大大降低了反应的温度，使得反应在180℃-250℃即可发生。

本发明的方法的反应机理：随着温度的增加产生大量气体，进而产生反应所需的高压环境，从而在低温下促使反应的实现，但具体的反应过程比较复杂，反应机理有待进一步研究。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种硫代氨基脲辅助低温合成氮化硅微米棒状晶体材料的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1）取质量比为3：0.8：3的硫代氨基脲、硅粉和叠氮化钠加入高压反应釜内，用玻璃棒搅拌均匀；

2）将高压反应釜密封后置于烘箱内，加热至180-250℃后，保持该温度继续加热8-15小时后自然冷却至室温，收集反应后的产物；

3）用无水乙醇、去离子水、HNO₃和HF的混合液分别洗涤所得产物，最后用蒸馏水清洗该产物，即得到氮化硅微米级棒状晶体。

进一步的，HNO₃和HF的混合液中，HNO₃和HF的体积比为3:1。

进一步的，所述步骤1）中，硫代氨基脲，硅粉和叠氮化钠分别取3g、0.8g和3g，所采用的高压反应釜的容积为30ml。

本发明的创新点及有益效果如下：

1、以硫代氨基脲为低温辅助剂，采用溶剂热法在低温180- 250℃ 制备出最大直径达2.5微米的纯度高、质量好的氮化硅微米级棒状晶体，克服了现有技术反应温度高，制备的氮化硅晶体尺寸小的不足。

2、实验装置简单，操作方便，且本发明的方法对生长参数的控制等要求宽松，便于实现工业化批量生产。

3、在一定程度上填补了新型宽禁带半导体材料的研发和制备领域的一项空白，具有深远的现实意义，必将产生巨大的社会经济效益。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为实施例1合成氮化硅微米棒状晶体的XRD图谱。