[发明专利]一种具有硅氢壳层纳米球硅的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有硅氢壳层的纳米球硅的制备方法，属于新能源和纳米技术新材料制造领域。

背景技术

硅作为一种非金属半导体材料，具有较宽的禁带宽度，目前是太阳能电池片的主要原材料，亦可用于制作半导体器件和集成电路。高纯度的纳米硅由于其纳米结构，还具有优良的物理和化学性能，如量子尺寸效应、量子隧道效应及特殊的光电特性，因此在光电器件、光通讯、太阳能电池和硅基光集成等领域具有巨大的应用潜力。

现有的纳米制备技术，简单可归结为两类方法：一是将大块固体分裂成纳米微粒（由大到小）；二是由单个基本微粒聚集，控制微粒生长形成纳米微粒（由小到大）。具体制备方法为真空冷凝法、激光脱氢法、机械球磨法、气相沉积法、水热合成法、微乳液法和溶胶凝胶法等。

上述两类方法均是一步法直接形成纳米微粒，具有以下缺点：

问题1，通过方法一（由大到小），主要是采用机械物理法粉碎，摩擦使得材料粒径不断变小，虽工艺简单，但易引入外来杂质造成产品纯度低，极大影响其功能特性；而通过方法二（由小到大），则分离、收集困难，产率低，能耗大，成本很高，不适合规模化生产。

问题2，上述两种方法制成的产品，由于纳米材料表面原子处于高度活化状态，纳米粒子的表面能高易团聚成大颗粒，且极易与空气中的氧气发生氧化反应形成氧化硅。

问题3上述两种方法制成的产品，均是一步法直接形成纳米微粒，纳米粒子形态不规则，粒径分布极宽。

上述方法制备出的纳米材料大都存在以下的不足或缺陷：

1,由于纳米材料表面原子处于高度活化状态，纳米粒子的表面能高易产生团聚，且极易与空气中的氧气发生氧化反应，不易长时间保存；

2，采用真空冷凝法、气相沉积法、激光脱氢法等技术制备的纳米材料尺寸小，但对设备、工艺要求高，能耗大，无法进行工业规模化生产；

3，采用机械球磨法等物理方法虽工艺简单，但易引入外来杂质造成产品纯度低，极大影响其功能特性，且无规的机械粉碎使得粒子形态各异并且粒径分布极宽；

4，采用微乳液法、溶胶凝胶法等化学合成的纳米材料，分离干燥工艺复杂并且会污染环境。

以上纳米技术常用于金属材料、氧化物、碳化物、氮化物等纳米材料的研发和制备，鲜见半导体高纯纳米硅材料（6N级以上）的研发和报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以制备高纯度、纳米粒径均匀且具有硅氢外壳保护层的纳米球硅材料的方法，制造出的纳米球硅可用于高性能光电子器件、高效太阳能电池等工业领域。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有硅氢壳层纳米球硅的制备方法，包括以下步骤：

1）在直流电弧等离子发生器中通入保护气氛，将硅棒装入发生器阳极中并成为阳极的一部分，制得1-50微米的球形硅微粒；

2）在保护气氛下将步骤1得到的微米级球形硅进行物理研磨，同时通入60份-80份的醇化合物、20份-35份的有机物和5份-10份的酸性物质，所述酸性物质通过物理研磨清除微米硅表面的氧化物等杂质，所述有机物接枝到纳米球硅表面形成硅氢保护壳层，温度控制在60℃-80℃；在物理研磨和化学接枝反应的双重作用下，微米级纳米硅粒形成形状规整的纳米级球形硅粒，并且在硅粒表面形成硅氢化合物保护壳层；

 3）经步骤2研磨后的纳米级球形硅粒经过清洗后再喷雾干燥，使其含水量控制在1%以下，将纳米球硅收集后在保护气氛下包装即可。

作为优化，步骤（1）中直流电弧等离子发生器的电压、电流控制参数为：初始电压为300 V，电流为16.7 A；放电时，电压降至10-20 V，电流升至250 A，时间为120分钟~240分钟。

作为优化，步骤（2）物理研磨参数为Ⅰ)球粒材质大小在1-10 mm范围内以不同比例混合；Ⅱ)球粒材质为碳化硅、氧化锆、氮化硅或玛瑙石；Ⅲ)球磨速度范围在100-450 RPM；Ⅳ)球磨时间在2-10小时；Ⅴ)研磨温度为室温。

作为优化，所述醇化合物为异丙醇或乙醇。

作为优化，所述有机物为丙酮、甲苯、正十二烯或苯乙炔。

作为优化，所述酸性物质为氢氟酸、硝酸、盐酸中一种或者多种酸性溶液的混合物。

作为优化，所述保护气氛为氮气或者氩气。