專利名稱：具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種納米繩及其制法，尤其是具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩及其制備方法。
背景技術(shù)：
準一維納米材料具有許多新的優(yōu)良特性，其應用可以分為兩個方面。一是利用納米級的尺寸，以作為下一代納米電子技術(shù)的構(gòu)筑單元；這一方面的實現(xiàn)往往需要能操控單根納米結(jié)構(gòu)的昂貴設備，制備效率也很低。二是利用小尺寸、大比表面積和奇特的量子效應同周圍環(huán)境發(fā)生相互作用，從而在宏觀性質(zhì)上發(fā)生變化；這一方面具有廣泛的應用前景，并且工作的重點集中在樣品的制備上，投資較小。如在2003年7月31日公開的美國發(fā)明專利申請公開說明書US 2003142397A中披露的一種“光源限制材料”。它意欲提供一種能穩(wěn)定發(fā)光的材料；由金屬鈦、釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅制成。但是，這種材料存在著不足之處，首先，僅有發(fā)光特性，而無潮濕環(huán)境的敏感性；其次，不是以發(fā)光強度來顯示其受潮濕程度的氧化硅納米繩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種對潮濕環(huán)境敏感的、制備簡便的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩及其制備方法。
具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的直徑為1～3微米、長度為100～500微米。
作為具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的進一步改進，所述的氧化硅納米繩由眾多不斷分叉和粘連的氧化硅納米線組成，所說氧化硅納米線的直徑為10～100納米；所述的氧化硅納米線為二氧化硅納米線。
具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法是按以下步驟完成的將一氧化硅粉和水蒸氣置于流動的氬氣氣氛中，在1100～1300℃下反應50～70分鐘，于沉積襯底上獲得具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩。
作為具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法的進一步改進，所述的流動的氬氣氣氛為10～30sccm的氬氣；所述的反應結(jié)束后，自然降溫至室溫；所述的自然降溫至600℃后，撤走水蒸氣；所述的沉積襯底為單晶硅片。
相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，對制得的產(chǎn)物分別使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線能譜儀、透射電子顯微鏡、熒光光譜儀、傅立葉變換紅外光譜儀來進行表征，從得到的掃描電鏡照片、X射線能譜圖、透射電鏡照片和對應的選區(qū)電子衍射照片、以及熒光譜圖、紅外譜圖可知掃描電鏡下的產(chǎn)物為大量的納米級的繩索狀物，其中，每一根納米繩的直徑為1～3微米、長度為100～500微米，其均由大量分叉的納米線通過不斷地分裂、粘連而成。納米線的直徑為10～100納米。X射線能譜圖表明產(chǎn)物由硅、氧原子構(gòu)成，其原子比約為1∶2，由此可確定它就是二氧化硅。透射電鏡同樣證實了它的形貌特點，其對應的選區(qū)電子衍射表明這種二氧化硅納米結(jié)構(gòu)是非晶的。熒光譜圖表明，新鮮制備的氧化硅納米繩具有較強的藍色熒光，熒光中心大約在460nm，這里的發(fā)光原因歸結(jié)于氧化硅表面的羥基。羥基是在制備時吸附在氧化硅表面的。當把氧化硅納米繩放置在相對濕度為70％的恒濕柜中3小時后，其藍色熒光就會變得非常弱。然而，把這些濕化后的氧化硅納米繩再次干燥后，藍色熒光將再次出現(xiàn)，熒光強度和剛制備出的相當。藍色的熒光特性可以用氧化硅表面水分子的吸附和脫附來解釋，由于氧化硅表面的羥基極易與外界環(huán)境中的水分子相互作用并吸附在其表面，這會影響光生電子-空穴的復合概率，從而導致發(fā)光強度顯著降低；在烘箱中烘干3小時，會脫去氧化硅表面吸附的水蒸氣，從而使熒光強度又恢復到初始狀態(tài)。這種熒光強度隨著對氧化硅納米繩的后續(xù)處理是呈周期性變化的。紅外吸收譜也更加驗證了氧化硅表面水分子的變化與熒光光譜有著一一對應的關(guān)系；其二，這種對環(huán)境敏感的納米器件極易于在光開關(guān)和基于光信號的濕度傳感器方面得到廣泛的應用；其三，制備所用原料的價格低廉、且易得，對設備無特殊要求，工藝簡單、無污染，易于工業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)品的商業(yè)化應用。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進一步詳細的描述。
圖1是對制得的產(chǎn)物用JEOL JSM-6300F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行觀察后拍攝的照片，從照片中可以看到產(chǎn)物為大量的納米繩；圖2是用JEOL JSM-6300F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡在較高的倍數(shù)下對制得的產(chǎn)物進行觀察后拍攝的照片，從照片中可以看到這種納米繩是由眾多的納米線構(gòu)成的；圖3是用JEOL JSM-6300F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡在更高的倍數(shù)下對制得的產(chǎn)物進行觀察后拍攝的照片，從照片中可以看出這種納米繩是由眾多的納米線通過分裂和粘連而構(gòu)成的，照片左上角的小照片對此點反映得更加清楚；圖4是對制得的產(chǎn)物用Escalabmk2型X-射線光電子能譜儀測試后得到的X-射線光電子能譜(XPS)，其中，縱坐標為相對強度，橫坐標為束縛能，由XPS可知，產(chǎn)物的納米結(jié)構(gòu)只是由硅、氧兩種元素構(gòu)成的，其原子比大致為1∶2；圖5是用JEM-200CX型透射電子顯微鏡在不同的倍數(shù)下對制得的產(chǎn)物進行觀察后拍攝的照片，其中，(a)圖和(b)圖均顯示了構(gòu)成氧化硅納米繩的納米絲的結(jié)構(gòu)和形貌，(b)圖中的插圖為其的電子衍射圖，表明了它是非晶的；圖6是對經(jīng)過不同處理階段的產(chǎn)物用FLS 920型熒光光譜儀進行測試后獲得的熒光譜圖，其中，縱坐標為熒光的發(fā)光強度，橫坐標為波長，圖中的-■-連線表示剛制備出的產(chǎn)物的熒光曲線，-△-連線表示在恒濕柜中放置3小時后的產(chǎn)物的熒光曲線，-○-連線表示將產(chǎn)物濕化后再次放置在烘箱中3小時后的熒光曲線，由這些熒光曲線可看出產(chǎn)物發(fā)光的可逆變化性；圖7是用FLS 920型熒光光譜儀測試并記錄下對產(chǎn)物進行三次周期性處理的結(jié)果圖，其中，縱坐標為相對強度，橫坐標為周期，圖中的H表示潮濕處理，D表示干燥處理；圖8是對經(jīng)過不同處理階段的產(chǎn)物用Nicolet NEXUS型傅立葉變換紅外光譜儀進行測試后獲得的紅外譜圖，其中，縱坐標為透射率，橫坐標為波數(shù)，圖中的曲線a表示剛制備出的產(chǎn)物的紅外吸收曲線，曲線b表示在恒濕柜中處理過的產(chǎn)物的紅外吸收曲線，曲線c表示經(jīng)濕化再于烘箱中處理后的產(chǎn)物的紅外吸收曲線，由這些吸收曲線可看出產(chǎn)物表面水分子的吸附、脫附與發(fā)光強度之間一一對應的關(guān)系。
具體實施例方式
實施例1將盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高溫水平管式爐的加熱陶瓷管腔中心，在該加熱陶瓷管腔的一端放置一些單晶硅片以作為產(chǎn)品的收集襯底、另一端的端口放置盛滿去離子水的陶瓷舟來用作水蒸氣源。啟動高溫水平管式爐進行加熱，并使10sccm的氬氣自放置盛滿去離子水的陶瓷舟的端口始終向加熱陶瓷管腔中吹送。當一氧化硅粉和水蒸氣于流動的氬氣氣氛中，在1100℃下反應70分鐘后，于自然降溫至600℃時，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸氣；之后，降溫至室溫，從而于沉積的襯底單晶硅片上獲得如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，對其進行測試后，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8中的曲線所示。
實施例2將盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高溫水平管式爐的加熱陶瓷管腔中心，在該加熱陶瓷管腔的一端放置一些單晶硅片以作為產(chǎn)品的收集襯底、另一端的端口放置盛滿去離子水的陶瓷舟來用作水蒸氣源。啟動高溫水平管式爐進行加熱，并使15sccm的氬氣自放置盛滿去離子水的陶瓷舟的端口始終向加熱陶瓷管腔中吹送。當一氧化硅粉和水蒸氣于流動的氬氣氣氛中，在1150℃下反應65分鐘后，于自然降溫至600℃時，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸氣；之后，降溫至室溫，從而于沉積的襯底單晶硅片上獲得如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，對其進行測試后，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8中的曲線所示。
實施例3將盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高溫水平管式爐的加熱陶瓷管腔中心，在該加熱陶瓷管腔的一端放置一些單晶硅片以作為產(chǎn)品的收集襯底、另一端的端口放置盛滿去離子水的陶瓷舟來用作水蒸氣源。啟動高溫水平管式爐進行加熱，并使20sccm的氬氣自放置盛滿去離子水的陶瓷舟的端口始終向加熱陶瓷管腔中吹送。當一氧化硅粉和水蒸氣于流動的氬氣氣氛中，在1200℃下反應60分鐘后，于自然降溫至600℃時，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸氣；之后，降溫至室溫，從而于沉積的襯底單晶硅片上獲得如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，對其進行測試后，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8中的曲線所示。
實施例4將盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高溫水平管式爐的加熱陶瓷管腔中心，在該加熱陶瓷管腔的一端放置一些單晶硅片以作為產(chǎn)品的收集襯底、另一端的端口放置盛滿去離子水的陶瓷舟來用作水蒸氣源。啟動高溫水平管式爐進行加熱，并使25sccm的氬氣自放置盛滿去離子水的陶瓷舟的端口始終向加熱陶瓷管腔中吹送。當一氧化硅粉和水蒸氣于流動的氬氣氣氛中，在1250℃下反應55分鐘后，于自然降溫至600℃時，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸氣；之后，降溫至室溫，從而于沉積的襯底單晶硅片上獲得如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，對其進行測試后，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8中的曲線所示。
實施例5將盛有5克一氧化硅粉的陶瓷舟置于高溫水平管式爐的加熱陶瓷管腔中心，在該加熱陶瓷管腔的一端放置一些單晶硅片以作為產(chǎn)品的收集襯底、另一端的端口放置盛滿去離子水的陶瓷舟來用作水蒸氣源。啟動高溫水平管式爐進行加熱，并使30sccm的氬氣自放置盛滿去離子水的陶瓷舟的端口始終向加熱陶瓷管腔中吹送。當一氧化硅粉和水蒸氣于流動的氬氣氣氛中，在1300℃下反應50分鐘后，于自然降溫至600℃時，撤去盛水的陶瓷舟，以撤走水蒸氣；之后，降溫至室溫，從而于沉積的襯底單晶硅片上獲得如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，對其進行測試后，其結(jié)果如圖6、圖7和圖8中的曲線所示。
顯然，本領域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩及其制備方法進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，其特征在于繩的直徑為1～3微米、長度為100～500微米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，其特征是氧化硅納米繩由眾多不斷分叉和粘連的氧化硅納米線組成，所說氧化硅納米線的直徑為10～100納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，其特征是氧化硅納米線為二氧化硅納米線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法，其特征在于是按以下步驟完成的將一氧化硅粉和水蒸氣置于流動的氬氣氣氛中，在1100～1300℃下反應50～70分鐘，于沉積襯底上獲得具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法，其特征是流動的氬氣氣氛為10～30sccm的氬氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法，其特征是反應結(jié)束后，自然降溫至室溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法，其特征是自然降溫至600℃后，撤走水蒸氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩的制備方法，其特征是沉積襯底為單晶硅片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩及其制備方法。納米繩的直徑為1～3微米、長度為100～500微米，其是由眾多不斷分叉和粘連的直徑為10～100納米的二氧化硅納米線組成；方法為將一氧化硅粉和水蒸氣置于流動的氬氣氣氛中，在1100～1300℃下反應50～70分鐘，于沉積襯底上獲得具有可逆發(fā)光特性的氧化硅納米繩，所述的流動的氬氣氣氛為10～30sccm的氬氣，所述的反應結(jié)束后，自然降溫至600℃，之后，撤走水蒸氣，所述的沉積襯底為單晶硅片。這種對環(huán)境敏感的納米器件極易于在光開關(guān)和基于光信號的濕度傳感器方面得到廣泛的應用；制備時所用原料的價格低廉、且易得，對設備無特殊要求，工藝簡單、無污染，易于工業(yè)化生產(chǎn)和產(chǎn)品的商業(yè)化應用。
文檔編號C01B33/18GK1861522SQ200510040050
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者郝玉峰, 孟國文, 張立德 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院