多重气固反应制备一维SiC纳米线解析

1、第29卷第9期2008 年 9 月半导体学报 JOURNALOFSEMICONDUCTORSVol.29No.9Sep.,2008多重气固反应制备一维SiC纳米线3李甲林 唐元洪 李小祥 李晓川（湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082）摘要:以硅片、石墨和SiO2粉末为原料，通过多重气固反应成功地制备出一维 SiC 纳米线.X射线衍射仪分析表明生成产物为立方结构的B 2SiC利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜 （HRTEM）观察,该一维SiC纳米线的 直径为3050nm长度可达几十甚至上百微米，为沿111方向生长的单晶B 2Si（纳 米线.根据多次对比实验的结果，由

2、多重气固（VS）反应提出了该方法制备SiC纳米 线的生长机理.关键词:SiC纳米线;多重气固反应；生长机理EEACC:0510中图分类号:TN305105文献标识码:A文章编号:02532（2008）2使用的原料是由Alfa1 引言9915%,粒径为15nm的SiO2粉末,p型单晶硅片以及石墨粉末.将SiO2与石墨按1 : 4的质量比混合，电子漂移速度大, 取一定量的混合粉末覆盖在装在瓷舟中的硅片（切割为点，、光电子和抗辐15mmihl ME - V从图4 (a)样品的TEM形貌像;(b)样品的HRTEM照片图2灰白色粉末的SEM照片Fig.2 SEMimageofthegrey2?7u2CA

3、C-S -HJOS一LJPC诵Aso40oft5260powderFig.4 (a)TEMimageofSiC nano wires;(b)HRTEMimageof sin gleSiC nano wire1788半导体学报第29卷图4(b)中还可以观察到,SiC纳米线外包覆着一层约34nm厚的非晶鞘层，是一种典型的芯鞘结构，推测为一层Si2O非晶层.Du等人10 得到的产物也属此类结构，且确定鞘层的成分为Si与0.总结以上的实验结果,可以得出，以硅片、石墨和SiO2为原料，可以在1200C下制 备出单晶B 2SiC纳米线，产物的直径较小(3050nm),长度可达数微米.针对此结果, 我们对纳

4、米线的生长机理做了分析和推测，并尝试解释了由硅片表面到其上覆盖粉 末中,SiC纳米线产量不同的原因.在保温温度和气流速率一定的条件下，改变原料种类进行反应后发现，缺少硅片、 SiO2或石墨中任一种原料时，都不能在1200C下得到SiC纳米线.反应结束后,可以明显观察到硅片的厚度变薄，加之其上生成了一层致密的灰白色 薄膜状物，由图1可知实为大量的SiC纳米线，因而硅片上层就为反应的硅源虽然 在 1200r 下,10逸到外部空间，)体硅中的硅原子就可以与 0221113SiO,Si(s)+(-2SiO(g) 2Si(s)+O2(g)- 2SiO(g)在我们的实验中，已经预先将管内抽至真空，保护气体

5、为氢氩混合气，因而可以排除 Si和O2反应的可能，即只发生了反应(1).作为反应物之一的石墨，是唯一可能的碳源.虽然硅片中的硅原子和石墨的碳原子 都非常稳定，不会在硅片表面发生反应，但是碳原子能够与气态的SiO反应14,即 为：(3) SiO(g)+C(s) SiC(s)+CO(g)CO为还原性气体，它的生成可能发生如下反应：(4) SiO(g)+3CO(g) SiC(s)+2CO2(g)然而,要发生反应(4),CO气体在管中的含量必须达到饱和15.在实际条件下,CO的 含量远不能达到饱和.由反应(1)和反应(3)最终得到一定量的SiC纳米线. 经过如上分析，可以得到本实验多重气固反应的过程，

6、同时得以初步解释由硅片表 面到其上覆盖粉末中,SiC纳米线产量不同的原因.首先，由于反应物量少及实验条 件的限制，反应(4)不能得以进行.其次,原料的接触面积对反应的进行影响较大，虽然 SiO2和石墨的粒径较小，接触面积比较大，但是二者与硅片的接触面积有限，从而也 限制了反应的程度.即使石墨和SiO2按照上述方程式进行配比，也无法估计硅片参 加反应的程度.再次，从硅片表面到上层空间形成了一定的气态SiO浓度梯度，因而在接近硅片的表面生成的SiC纳米线密度较大，而在上层覆盖的反应物中生成的 SiC纳米线密度相对较小.4结论 报道了以硅片、石墨和SiO2为原料，在1200C这一相对较低的温度下，于

7、管式炉内 成功地制备出了立方晶系的B 2Si(纳米线,产物表面光滑，长径比大，实验过程操作简单且可重复性好.随后对产物的生长机理进行了详细的讨论，并初步解释了不同 位置处,SiC纳米线产量不同的原因，有助于在日后的实验和研究中，加以改进和提 高.参考文献1 Yan gTH,Che nCH,etal.C on trolledgrowthofsili2con bytprocessa ndtheirfieldemis2,379:155,Zha ngYuefei,etal. On e2dime nsio nalurei nSiC nano wires .J Chi nElectro nMicroscS

8、oc,24:256(i nChi nese)郑坤,韩晓东，张跃飞, 等.SiC纳米线中的一维无序结构.电子显微学报,2005,24:2563 SunX H, LiCP, LeeST,etal.Formatio no fsilico ncarbidenano tubesa ndnano wiresviareactio no fsilico n( fromdisproportio n2atio no fsilic onmono xide )withcarbo nnan otubes .J AmChemSoc,2002,124:144644 ZhouWM,Ya ngB,Ya ngZX,etal.La

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14、.JMaterSci,2002,37:2023第9期李甲林等：多重气固反应制备一维SiC纳米线1789Syn thesisofSiCNa nowiresviaMultipleVSReactio ns3LiJiali n,Tan gYua nhon g,LiXiaoxia ng,a ndLiXiaochua n(CollegeofMaterialsScie nceandEn gi neeri ng,H unanUn iversity,Cha ngsha 410082,Chi na)Abstract:SiC nano wiresaresuccessfullys yn thesizedviamult

15、ipleVSreactio nsusi ngsilic on ips,graphite,a ndSiO2powderasrawma2terials.XRDresultside ntifytheproductasacubic iCstructure.SEMa ndTEMimagesshowthatthediameteroftheSiC nano wiresisi nthera nge( 0 atessi nglecrys2talli ne ofSiC nano wires.Keywords:SiC nano wires;multipleVSreactio ns;mecha nism EEACC:0510ArticlelD:025324177(2008)09217862043Projectsuppo