發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，使用本方法制備的非晶碳化硅納米顆粒的直徑在10 nm左右，并且有強度高、穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射，屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]非晶碳化硅SiC納米材料，由于其獨特的形貌與電子結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)出一系列獨特的性質(zhì)。非晶SiC的電子結(jié)構(gòu)與晶化的SiC納米材料的完全不同，非晶SiC的相關(guān)物理性質(zhì)在一定程度上具有可調(diào)性?，F(xiàn)在研究較多的是非晶SiC薄膜，其在電子及光電領(lǐng)域，如太陽能電池、發(fā)光二極管、顏色傳感器、高溫工程材料及大面積電致發(fā)光裝置中應(yīng)用前景廣闊，因而近年來對非晶SiC薄膜的研究較多。人們利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積，熱絲化學(xué)氣相沉積，電子回旋共振化學(xué)氣相沉積，激光化學(xué)氣相沉積，和射頻濺射等技術(shù)成功制備了非晶SiC薄膜，并研究了其結(jié)構(gòu)與形貌特性、發(fā)光性質(zhì)等。
[0003]然而，迄今為止對非晶SiC超細(xì)顆粒的研究報道極少。我們僅發(fā)現(xiàn)在2008年Lin等在Nnaotechnology上報道了在低溫和低壓等離子反應(yīng)器中制備直徑小于10 nm的非晶SiC納米顆粒。他們利用微波等離子體誘導(dǎo)分解的四甲基硅烷，在氣相、流動的環(huán)境中，可在反應(yīng)區(qū)的尾部成功收集了非晶SiC納米顆粒。這樣制備出的納米顆粒尺寸小于10 nm，改變反應(yīng)條件，可以實現(xiàn)對納米顆粒大小的微調(diào)，這種方法的不足之處是制備工藝過于復(fù)雜。綜上所述，目前在非晶碳化硅納米顆粒的制備上，還沒有一種相對簡單的制備工藝，同時，也沒有對其光電性質(zhì)的相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，解決現(xiàn)有在低溫和低壓等離子反應(yīng)器中利用微波等離子體誘導(dǎo)分解的四甲基硅烷，在氣相、流動的環(huán)境中制備直徑小于10 nm的非晶SiC納米顆粒存在的制備工藝過于復(fù)雜的不足，通過本發(fā)明實現(xiàn)制備的非晶碳化硅納米顆粒直徑在10 nm左右、且具有較強而穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，其特征是，所述方法包括以下步驟:
(1)立方相碳化硅3C_SiC多晶陶瓷片表面處理:將用于激光燒蝕的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的表面用砂紙進(jìn)行打磨，拋光，獲得光滑的表面。然后依次在無水乙醇，丙酮，去離子水超聲中超聲，干燥后備用。
[0006](2)激光燒蝕制備非晶碳化硅納米顆粒:將準(zhǔn)備好的3C_SiC多晶陶瓷片放在燒杯中，光滑的表面向上。在燒杯中加入去離子水，液面高出多晶陶瓷片的上表面8 — 10 mm。燒杯放在三維可控平臺上，可使之上下、左右、前后移動。用波長248 nm的準(zhǔn)分子脈沖激光為激光光源，強度為300-350 mJ/Pulse。將激光聚焦到浸于去離子水中的多晶陶瓷片上。照射時間為45-60分鐘，在整個過程中，三維可控平臺載著燒杯緩慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不斷變化。最后得到懸浮于去離子水中的非晶碳化硅納米顆粒。
[0007]有益效果
本發(fā)明采用的制備工藝，以碳化硅多晶陶瓷片為原材料，制備非晶碳化硅納米顆粒，這在“從上而下”的制備納米顆粒的方法。這與以前報道的“從下而上”的非晶碳化硅薄膜、納米顆粒的制備方法相比，不需要真空、高溫等嚴(yán)苛條件的反應(yīng)腔體，這樣使制備工藝大大簡化。在制備前，將碳化硅多晶陶瓷片表面進(jìn)行拋光處理，可以使反射的激光能量增加，保證非晶碳化硅顆粒的形成。用本發(fā)明的工藝制備的非晶碳化硅納米顆粒的直徑足夠小，表面呈親水性，這些保證非晶納米顆?？梢暂^穩(wěn)定地懸浮于去離子水中而不至于沉降。這種非晶碳化硅納米顆粒強而穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射，在光電領(lǐng)域、乃至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0008]圖1 (a)為本發(fā)明的樣品的透射電子顯微照片；圖中顯示的絮狀物由球形納米顆粒組成，這些球形納米顆粒的直徑在10 nm左右；圖1 (b)顯示的是在去離子水中分散較好的納米顆粒，這些納米顆粒都近似球形，直徑為10 nm左右；(a)和(b)照片對比度明顯較低，說明納米顆粒是非晶態(tài)。圖1 (b)中的插圖是一個納米顆粒的高分辨率透射電鏡圖，其直徑為9.0 nm，從圖上看不到晶格條紋，可見納米顆粒未結(jié)晶，為非晶納米顆粒；圖1 (a)中的插圖是電子衍射圖，也說明納米顆粒是非晶態(tài)；透射電鏡照片的低對比度，高分辨率透射電鏡圖上面沒有晶格條紋，電子衍射圖上面沒有發(fā)現(xiàn)衍射點，這些都說明納米顆粒是非晶態(tài)的；圖1表明本發(fā)明工藝得到的樣品為直徑10 nm左右的非晶碳化硅納米顆粒。
[0009]圖2為本發(fā)明制備的非晶碳化硅納米顆粒在320nm的紫外光的激發(fā)下的光致發(fā)光譜，在激發(fā)光照射下，樣品的發(fā)光強度較大，發(fā)光肉眼可見，樣品的發(fā)光峰位于約430 nm。
【具體實施方式】
[0010]本發(fā)明涉及的原料為立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片，厚度為2-4 mm，直徑2.0cm以上。清洗所用無水乙醇、丙酮為分析純。所用激光器為C0MPexPro201型準(zhǔn)分子脈沖脈沖激光器。
[0011]首先對立方相碳化硅多晶陶瓷片進(jìn)行表面處理，將多晶陶瓷片的表面依次用粗、細(xì)砂紙進(jìn)行打磨，拋光，使陶瓷片的表面光滑。然后清洗陶瓷片，去除附于其表面的有機、無機雜質(zhì)。將陶瓷片依次在無水乙醇，丙酮中超聲清洗5 — 10分鐘，用氮氣流吹干，最后再次置于去離子水超聲5 — 10分鐘，用氮氣流或電吹風(fēng)吹干后備用。將準(zhǔn)備好的碳化硅多晶陶瓷片放在燒杯中，光滑的表面向上。在燒杯中加入去離子水，液面高出多晶陶瓷片的上表面8 — 10 mm。燒杯放在三維可控平臺上，可使之上下、左右、前后移動。用波長248 nm的準(zhǔn)分子脈沖激光為激光光源，強度為300-350 mJ/Pulse，脈沖寬度10 ns，重復(fù)頻率10 Hz。出射激光束橫截面長度為24 mm，寬度為10 mm。激光經(jīng)三棱鏡反射，經(jīng)過一焦距為500 mm的透鏡聚焦，調(diào)節(jié)三維可控平臺，使位于其上的燒杯上下移動，保證激光聚焦到3C - SiC陶瓷片表面時，光斑寬度約為1 mm。使激光聚焦到浸于去離子水中的多晶陶瓷片上。照射時間為45-60分鐘，在整個過程中，三維可控平臺載著燒杯緩慢平移，使激光不至于在制備過程中一直照射于陶瓷片的固定地點而損壞陶瓷片，移動范圍保證激光束始終能照射到陶瓷片上。最后取走陶瓷片，就可以得到懸浮于去離子水中的非晶碳化硅納米顆粒。
[0012]通過透射電子顯微鏡觀測，發(fā)現(xiàn)本發(fā)明工藝制備的納米顆粒為圓球形，直徑約為10 nm(如圖1所示)。透射電鏡照片的對比度較低，在納米顆粒的高分辨率透射電鏡照片上沒有看到晶格條紋，電子衍射照片上也沒有發(fā)現(xiàn)衍射點(如圖1所示)，這些都說明納米顆粒是非晶態(tài)的。通過樣品紫外一可見吸收譜的測試分析，發(fā)現(xiàn)制備的納米顆粒的直接帶隙與間接帶隙能量值分別為5.4 eV、2.2 eV，這與SiC的直接帶隙值(5.3 eV)與間接帶隙值(2.4 eV) 一致，由此可以證實樣品中的納米顆粒為SiC。通過紅外光譜測試，發(fā)現(xiàn)紅外吸收譜中有明顯的S1-C鍵伸縮振動模，進(jìn)一步證實非晶納米顆粒的成份是SiC，紅外吸收譜中的S1-H、C-0等振動模也表明非晶SiC納米顆粒是親水性的。
[0013]本發(fā)明制備的非晶碳化硅納米顆粒，受到波長為320 nm的紫外光激發(fā)時，有強而穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射，說明非晶碳化硅納米顆粒在光電、生物領(lǐng)域都具有較好的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項】
1.一種發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，其特征是，所述方法包括以下步驟: (1)立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片表面處理:將用于激光燒蝕的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的表面用砂紙進(jìn)行打磨、拋光獲得光滑的表面，然后依次清洗5 — 10分鐘，吹干后經(jīng)去離子水超聲5 — 10分鐘，再干燥后備用； (2)激光燒蝕制備非晶碳化硅納米顆粒:將干燥后備用的立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片放在燒杯中，光滑的表面向上；在燒杯中加入去離子水，液面高出立方相碳化硅3C-SiC多晶陶瓷片的上表面8 — 10 mm ;燒杯放在三維可控平臺上，可使之上下、左右、前后移動；用準(zhǔn)分子脈沖激光為激光光源，將激光聚焦到浸于去離子水中的多晶陶瓷片上，在照射過程中，三維可控平臺載著燒杯緩慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不斷變化，最后得到懸浮于去離子水中的，直徑10 nm左右的非晶碳化硅納米顆粒。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述準(zhǔn)分子脈沖激光的波長為248 nm,激光的強度為300-350 mJ/Pulse，脈沖寬度10 ns，重復(fù)頻率 10 Hz ; 激光束出射時橫截面長度為24 mm，寬度為10 mm，用一焦距為500 mm的透鏡聚焦，將激光束照片在陶瓷片上的寬度調(diào)節(jié)到1 mm左右。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，其特征在于，所述準(zhǔn)分子脈沖激光照射時間為45-60分鐘。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種發(fā)光非晶碳化硅納米顆粒的制備方法，屬于光電材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的主要特點是將碳化硅多晶陶瓷片表面進(jìn)行拋光處理后用準(zhǔn)分子脈沖激光聚焦到浸于去離子水中的多晶陶瓷片上，在照射過程中，三維可控平臺載著燒杯緩慢平移，使激光照射在陶瓷片的位置不斷變化，最后得到懸浮于去離子水中的直徑10nm左右的非晶碳化硅納米顆粒,表面呈親水性，這些保證非晶納米顆粒可以較穩(wěn)定地懸浮于去離子水中而不至于沉降,這種非晶碳化硅納米顆粒強而穩(wěn)定的藍(lán)光發(fā)射，在光電領(lǐng)域、乃至生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】B82Y30/00, C01B31/36
【公開號】CN105236410
【申請?zhí)枴緾N201510583991
【發(fā)明人】朱駿, 胡珊, 陳海濤, 夏煒煒, 曾祥華
【申請人】揚州大學(xué)
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月15日