CVD制备硅纳米线的新工艺研究

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硅纳米线由于同时具有纳米材料和块状硅材料的独特性质和性能,被广泛使用在硅基负极材料、生物传感器、电池和催化等方面。目前,国内外对于硅纳米线的研究取得很大突破,但是距离硅纳米线规模化生产与应用还存在一些需要解决的问题。例如,制备硅纳米线的工艺虽然有许多,但都不成熟,同时实验设备和材料成本较高限制硅纳米线的规模化生产。因此,选用合适的硅源和生长机理来研究硅纳米线以期实现低成本、规模化制备就显得尤为重要。本文选用磷矿副产物硅化合物(SiF4,99.999%)为气态硅源,基于汽-液-固生长机理(VLS)和氧化物辅助生长机理(OAG),通过化学气相沉积技术(CVD)来制备硅纳米线。以SiF4为原料不仅合理利用磷化工伴生氟硅资源,同时为硅纳米线制备工艺提供一种新思路。论文主要有以下部分:第一部分,通过对辅助物质、SiF4流量、温度及衬底等工艺参数的控制研究硅纳米线的生长规律,同时探究氟化物(如CF4)制备一维纳米材料的可能性。结果表明,空气中的氧不是SiF4制备硅纳米线的主要辅助物质,水才是制备硅纳米线不可缺少的物质;最佳反应温度为1000-1100°C,低于1000°C生长的纳米线量少且不规则,纳米线主要由硅和氧组成,比值2:1,结构呈现外层无定形硅氧化物和内层单晶硅,晶面间距为0.313 nm,属于<111>晶面;硅纳米线的直径随SiF4流量增大,呈现先增大后减小趋势;石英片和Al2O3衬底表面均不能制备出均匀的纳米线结构,硅是最适合硅纳米线生长的衬底;CF4不能生长出纳米线结构,氟硅化合物对硅纳米线生长有着重要作用。第二部分,以第一部分为实验基础,对工艺路线进行改良后,对不同SiF4流量、反应时间、反应物总流量以及硅粉颗粒度等工艺参数对硅纳米线生长的影响进行研究,并对SiF4制备硅纳米线的生长机理进行探讨。当SiF4流量在一定范围内,硅纳米线表面光滑、直径均匀,流量太大会导致纳米线直径变小;在不同反应物总流量下,硅纳米线的直径随体系气体总流量增大而减小,远小于OAG生长机理制备的硅纳米线,晶面间距为0.254 nm,纳米线主要由硅和氧元素组成,比值为4:1;只有粒径范围在0.1-0.3 mm的硅粉可以生长出硅纳米线。经XRD、Raman结果表明,纳米线有五个衍射峰,其中<111>晶面衍射强度最大,衍射峰尖锐,晶格较完整,硅纳米线拉曼主峰从521 cm-1处蓝移至519.95 cm-1,可能是由于晶体的晶格失配造成的轻微膨胀;SiF4制备硅纳米线的生长机理可能是VLS与OAG相结合的新机理。
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