[发明专利]一种稀土离子掺杂氮化硅纳米线及其制备方法

说明书

本发明提供了一种稀土离子掺杂氮化硅纳米线及其制备方法，涉及纳米发光新材料技术领域，主要目的是实现稀土掺杂氮化硅纳米线的制备。该制备方法包括以下步骤：(1)以硅粉和氮气为原料，采用直流电弧法制备氮化硅纳米线；(2)制备的氮化硅纳米线与稀土氧化物混合制备稀土掺杂氮化硅纳米线。本方法制备的稀土掺杂氮化硅纳米线均匀且纯度较高，能够以氮化硅纳米线实现稀土离子的成功掺杂，为纳米级材料的发光领域器件提供了无限可能。

技术领域

本发明涉及纳米发光材料技术领域，尤其是涉及一种稀土掺杂氮化硅纳米线的制备方法。

背景技术

随着我国光电子信息技术产业的迅猛发展，人们对存储和通信的关键材料——半导体材料提出了更加严苛和迫切的要求。氮化物纳米线半导体材料：氮化铝、氮化镓、氮化硅纳米线是继硅和砷化镓之后的第三代半导体材料。氮化硅是一种具有低密度、高比强、高比模、良好的热冲击和抗氧化、耐磨损和抗热震等综合性能优良的结构材料。在半导体领域中，氮化硅的宽带隙使其成为高浓缩掺杂的优良宿主材料，因此，氮化硅纳米线半导体材料是存储和通信领域的最具应用前景的材料之一。此外，半导体的物理性能与其带隙结构密切相关，带隙结构可以通过掺杂进行调整，因此通过引入合适的掺杂可以调节半导体的发光性能。氮化硅是一种宽禁带(～5.0eV)半导体，因此可获得较高的掺杂浓度二具备优良宿主材料的潜力，可广泛应用于光电子信息和纳米技术领域。

现有技术中，制备氮化硅纳米线稀土掺杂的方法主要有硝化反应、低温球磨高温煅烧法、液氮冷冻制备纳米晶硅粉并在氨气中氮化等。上述方法制备出的掺杂氮化硅纳米线大多存在以下的不足或缺陷：稀土离子半径大于硅离子半径，常规方法难以将大尺寸的稀土离子掺杂进氮化硅中，以替换硅离子；制备过程中氧化现象严重，纳米线生产效率低、纯度低、存在较多晶格缺陷；成本高，工艺复杂，不适合应用于工业生产；掺杂可控性差，无法有效的改善氮化硅发光性能；氮化硅纳米线尺寸难控制等。例如用Si(NH)₂在1000℃下热分解4小时制备非晶氮化硅粉末，后与稀土离子粉末通过硝化反应制备出稀土掺杂的氮化硅粉末；采用低温加工法合成了高速旋转的掺硅纳米晶粉末，Si粉与含稀土离子粉末混合置于液氮中进行球磨，后置于高温炉中进行煅烧，此方法需先合成纳米晶硅粉再合成氮化硅纳米线，工序复杂。通过现有的技术很难实现氮化硅纳米线的掺杂控制，制备的氮化硅纳米线的发光性能较弱且不稳定，使得氮化硅纳米线在光电子器件领域的应用受到限制。因此迫切需要寻找一种工艺简单，成本低廉，适合工业化生产，而且可以制备高纯度、高产率、尺度均匀、掺杂可控、具有短波发光性能、单色性好、发光强度高的氮化硅纳米线的新方法。

为了解决上述问题，本专利技术致力于用等离子体电弧法制备氮化硅纳米线并通过制备出的氮化硅纳米线实现掺杂不同稀土离子的材料发光，以四种价态的稀土离子为例，实现不同离子半径的稀土离子均可以有效的掺杂，一方面保证氮化硅纳米线制备加工过程用料简单且加工过程安全，另一方面为实现同种基质材料调节不同稀土掺杂的发光性能提供技术上的可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备氮化硅纳米线及稀土离子掺杂氮化硅纳米线的制备方法，解决现有技术中制备稀土离子掺杂氮化硅纳米线难以制备的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种稀土离子掺杂氮化硅纳米线，所述稀土离子包括二价或者三价稀土离子。

优选地，所述纳米线直径为50-100nm。

本发明还提供了稀土掺杂氮化硅纳米线的制备，包括以下步骤：

一种制备稀土掺杂氮化硅纳米线的方法，利用氮化硅纳米线和稀土氧化物为原料制备稀土掺杂氮化硅纳米线。

优选地，所述稀土掺杂氮化硅纳米线利用等离子体电弧法制备。

优选地，将氮化硅纳米线粉末和稀土氧化物粉末混合放置在位于直流电弧放电装置反应室内的石墨埚阳极中；