專利名稱：?jiǎn)尉蓟杓{米線、其制備方法以及包含所述單晶碳化硅納米線的過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單晶碳化硅納米線及所述納米線的制備方法以及包含所 述單晶碳化硅納米線的過濾器。更具體地，本發(fā)明涉及可用于制造納米電 子器件的單晶碳化硅納米線，所述納米線的制備方法，和可用于機(jī)動(dòng)車發(fā) 動(dòng)機(jī)尾氣過濾系統(tǒng)的包含所述納米線的過濾器。
背景技術(shù)：
由于碳化硅具有獨(dú)特的化學(xué)、機(jī)械和場(chǎng)發(fā)射性能，其已經(jīng)吸引了世界 上很多研究者的興趣。例如，碳化硅目前被用作柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣過濾器的 基底材料，并且是高強(qiáng)度、高韌性結(jié)構(gòu)的代表材料。在這樣的情況下，投 入于制備碳化樹目關(guān)產(chǎn)品的資金年復(fù)一年地穩(wěn)定增長(zhǎng)，表明所述碳化硅被 認(rèn)為是值得研究和具有商業(yè)價(jià)值的。已經(jīng)以塊狀或薄膜形式制備和應(yīng)用碳化硅。納米尺度的碳化硅具有塊M化硅無法達(dá)到的高比表面積和單位面 積高強(qiáng)度。當(dāng)將納米碳化硅應(yīng)用于電子器件時(shí)，它們可顯示優(yōu)良的特性， 例如場(chǎng)發(fā)射效應(yīng)和量子局限效應(yīng)，所述特性為納米線所固有的。自從S. Iijima領(lǐng)導(dǎo)的日本研究小組首先在1991年報(bào)道了碳納米管(S. Iijima， Nature, 1991)，已經(jīng)在M界開展了關(guān)于一維納米結(jié)構(gòu)(例如納 米線)的大量研究。哈佛大學(xué)的C. M. Lieber研究小組在1995年發(fā)表了關(guān)于碳化硅納米 結(jié)構(gòu)的第一篇報(bào)道(C.M.Lieber， Nature, 1995)。具體地，所述研究小 組報(bào)道了用碳納米管合成碳化硅納米線的方法。從那以后，至今已開展了 大量的目標(biāo)為合成碳化硅納米線的研發(fā)。韓國(guó)專利No. 2004-70373提出了一種涂敷有高純度、高密度碳的碳化 硅納米線的制備方法，所述方法為將亞硝酸鎳六7JC合物作為催化劑溶于乙 醇中，將所述催化劑溶液施加于硅襯底上，將催化劑涂敷的硅襯底及包含4氧化鴒粉末和碳粉末的混合物置于藍(lán)寶石舟中，加熱并同時(shí)將惰性氣體提 供給所述藍(lán)寶石舟，并冷卻經(jīng)加熱的藍(lán)寶石舟至室溫。但是，根據(jù)所述方法，非晶薄膜、氧化物薄膜或者顆粒仍然吸附在碳 化硅納米線的表面上并且留下了用作催化劑的金屬，導(dǎo)致了所述碳化硅納 米線物理性能的變差。已報(bào)道的與碳化硅納米線合成相關(guān)的技術(shù)中，只有少數(shù)幾個(gè)在釆用碳 化硅納米線制造器件方面是成功的。當(dāng)前的研究是用于實(shí)驗(yàn)室級(jí)別并且仍 需要更多的研究。另外，由于大多數(shù)技術(shù)與半導(dǎo)體器件的制造;|_相關(guān)的，因此，在應(yīng)用 于一 系列半導(dǎo)體制造過程中存在由于碳化硅生長(zhǎng)溫度高的實(shí)際困難。另 外，用于碳化硅生長(zhǎng)的高價(jià)設(shè)備的使用使得半導(dǎo)體器件制造的商業(yè)化變得 困難。另外，使用純度高達(dá)99.9 %的昂貴二氧化硅作為碳化珪原料以及使用 額外的結(jié)晶催化劑，這使得制備過程變得復(fù)雜并導(dǎo)致制備成本的顯著增 加?？偟膩碚f，碳化硅納米線雖然具有優(yōu)良的物理性能，但在^艮多用途中 仍然還未"^實(shí)際應(yīng)用。發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的之一是提供無雜質(zhì)并具有高縱橫比的單晶碳化硅 納米線。本發(fā)明的另一目的是提供所述單晶碳化硅納米線的大,制備方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供包含生長(zhǎng)在其中的單晶碳化硅納米線的 過濾器。本發(fā)明還有另外的一個(gè)目的是提供所述過濾器的制造方法。根據(jù)本發(fā)明用于實(shí)現(xiàn)上述目的的一個(gè)方面，提供了 一種用于制備單晶 碳化硅納米線的方法，所述方法包括如下步驟混合二氧化硅和碳，壓制 所述混合物以形成多孔載體，和在惰性氣氛下晶化所述多孔載體。由本發(fā)明所述方法制備的碳化硅納米線是高質(zhì)量單晶納米線，在其外 表面不含有非晶膜或氧化物膜，并具有0.0005:1 ~ 0.05:1的縱橫比。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，拔_供了包含所述單晶碳化硅納米線的過濾器。具體地，本發(fā)明所述的過濾器通過如下方法制備混合二氧化硅和碳， 壓制所述混合物以形成多孔載體，將所述多孔載體置于過濾器基底的之上 或之下，和在惰性氣氛下晶化所得結(jié)構(gòu)以使得單晶碳化硅納米線通過過濾 器基底的腔室(cell)生長(zhǎng)。根據(jù)本發(fā)明，低級(jí)別原材料可用于制備高附加值單晶碳化硅納米線和 制造包含所述納米線的過濾器。所述單晶碳化硅納米線可用于納米電子器 件的制造，包括電子槍發(fā)射器和MEMS探針尖端，用于各種顯示器和分 析儀。所述過濾器應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣過濾系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)改善的過濾性 能和延長(zhǎng)壽命。


圖la和lb為描述根據(jù)本發(fā)明低級(jí)別二氧化硅與碳在多孔載體內(nèi)反應(yīng) 使得單晶碳化硅生長(zhǎng)為納米線的機(jī)理的圖。圖2a和2b為描述根據(jù)本發(fā)明多孔載體通過蜂窩狀過濾器基底的腔室 生長(zhǎng)為單晶碳化硅的圖。圖3為實(shí)施例中所用的晶化系統(tǒng)的示意圖。圖4a和4b為實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線在放大倍數(shù)分別為 500 x和5 kx下的掃描電鏡照片。圖5為表示實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的X射線顯微分析 結(jié)果的譜圖。圖6為表示實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的X射線衍射分析 結(jié)果的鐠圖。圖7為實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的高分辨率透射電子顯微 鏡照片(放大倍數(shù)為500k)。圖8為在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的晶帶軸(011)中測(cè) 得的選擇區(qū)域衍射(SAD)圖案。圖9a為表示單晶碳化硅納米線尖端的透射電子顯微鏡照片(放大倍 數(shù)為100k)，和圖9b為表示圖9a中尖端部的能量色散X-射線譜(EDS)分析結(jié)果的鐠圖。圖10a是在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的核部分的透射電子 顯微鏡照片(放大倍數(shù)為100k),和圖10b為表示圖10a中所示核部分的 能量色散X-射線譜(EDS)分析結(jié)果的鐠圖。圖lla， lib, lie和lid分別為實(shí)施例2中制備的蜂窩狀過濾器在 30倍、2k倍、500倍和lk倍下的掃描電子顯樹:鏡照片。
具體實(shí)施方式
此后，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。本發(fā)明提供了用于制備單晶碳化硅納米線的方法，所述方法包括如下 步驟混合二氧化硅和碳，壓制所述混合物以形成多孔載體，和在惰性氣 氛下晶化所述多孔栽體。根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法，高質(zhì)量單晶碳化硅納米線可用不昂貴的 低級(jí)別原材料作為起始材料來制備。通過本發(fā)明所述方法制備的單晶碳化 硅納米線可用于納米電子器件的制造，包括電子槍發(fā)射器和微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)的探針尖端，用于各種顯示器和分析儀。通過本發(fā)明所述方法制 備的單晶碳化硅納米線可在各種過濾器基底內(nèi)生長(zhǎng)以制備過濾器。由此制 得的所述過濾器可容易地應(yīng)用于各種過濾器系統(tǒng)，例如用于過濾機(jī)動(dòng)車發(fā) 動(dòng)機(jī)尾氣的系統(tǒng)。具體地，單晶碳化硅納米線通過下述工序來制備。首先，用混合器將 二氧化硅和碳混合。此時(shí)，所述二氧化硅與所述碳的重量比為6:1 ~ 0.5:1, 并優(yōu)選為4:1 ~ 1:1。所述二氧化硅和所述碳之間的混合比例根據(jù)所述原材料的化學(xué)計(jì)量 比來確定的。如果使用過量的二氧化硅，即當(dāng)碳的量相對(duì)于所述碳和二氧 化硅反應(yīng)形成碳化硅(SiC)所需的碳的量來說相對(duì)較少時(shí)，部分二氧化 硅(Si)仍留在孔內(nèi)未反應(yīng)，使得難以達(dá)到足夠的導(dǎo)電性。同時(shí)，如果使 用過量的碳，部分碳仍未Jl應(yīng)，降低所述混合物的成型性。本發(fā)明使用相對(duì)便宜的純度為97%或更高的低級(jí)別二氧化硅。所述 低級(jí)別二氧化硅包含幾個(gè)ppm量級(jí)的雜質(zhì)，例如Fe。此類雜質(zhì)作為后續(xù) 步驟中碳化硅生長(zhǎng)的催化劑。結(jié)果，避免了使用另外的碳化硅晶化催化劑，因此，簡(jiǎn)化了制備工藝和顯著降低了制備成本。所述雜質(zhì)在晶化過程中在 高溫下?lián)]發(fā)。也就是，本發(fā)明所述的制備方法具有在最終產(chǎn)品中沒有雜質(zhì) 出現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。所述碳可選自炭黑、科琴黑(Ketjen black )、乙炔黑、超導(dǎo)電乙炔黑 (Denka black) 、 Doca黑，及其混合物。從孔徑控制的角度來看，優(yōu)選所述二氧化硅和所述碳為粉末狀并具有 不同的粒徑分布。也就是，所述二氧化硅和所述碳混合以形成多孔載體并 且碳化硅納米線通過存在于多孔載體中的孔生長(zhǎng)。所述多孔載體的孔徑可 通過改變所述原材料的孔徑來改變，這使得能夠制備具有期望的物理性質(zhì) 的碳化硅納米線。具體地，所述二氧化硅和所述碳為優(yōu)選具有0.01 ~ 10 nm和更優(yōu)選具 有0.05 ~ 5 jim粒徑的粉末。顆粒直徑小于0.01 nm的二氧化硅和碳在加工 步驟例如稱重和混合中難以處理，并且在結(jié)晶過程中高度致密化，導(dǎo)致壓 制的產(chǎn)物的內(nèi)孔阻塞。同時(shí)，顆粒直徑大于10 nm的二氧化硅和碳(即相 對(duì)小的比表面積)引起由所述二氧化硅和所述碳在晶化溫度下反應(yīng)形成的 氣體的分壓降低，使得難以產(chǎn)生碳化硅納米線。所述二氧化硅和碳可具有不同的形狀，例如棒狀、盤狀、針狀和球狀， 但是不特別限制于所述的這些形狀。所述混合通過在常規(guī)混合器中進(jìn)行5 ~ 48小時(shí)并優(yōu)選16 ~ 24小時(shí)的 干混或濕混工藝進(jìn)行。接著，所述混合粉末凈iL^制成為多孔載體。所述壓制可通過任何已知技術(shù)來進(jìn)行。例如，在100-500 kg/cm2的壓 力下單軸壓制所述混合的粉末，或在1000-4000 kg/cm2的壓力下將所述混 合的粉末等靜壓壓制成盤狀。所述壓制使得存在于所述低級(jí)別二氧化硅和炭黑中的氣體被釋放到 氣氛中并且留下孔以形成多孔栽體。才艮據(jù)壓制條件，多孔載體具有30%~ 70%并優(yōu)選35-50 %的孔隙率和1 ~ 10 nm的孔徑。接著，在惰性氣氛下晶化所述多孔載體以制備單晶碳化硅納米線。圖la和lb為描述根據(jù)本發(fā)明的制備方法低級(jí)別二氧化硅21與碳22 在多孔載體20內(nèi)反應(yīng)使得單晶碳化硅生長(zhǎng)為納米線的機(jī)理的圖。參照?qǐng)Dla和lb,在晶化過程中，由所述低級(jí)別二氧化硅21和所述 碳22形成的多孔載體20被加熱加壓，轉(zhuǎn)化為碳化硅30，其然后生長(zhǎng)為納 米線形式的晶體。由此生長(zhǎng)的碳化硅納米線可用容易的方式來收集。因此，本發(fā)明所述 的方法適合于碳化硅納米線的大恥漠制備，并使得碳化硅納米線的商業(yè)化 變得可能?？紤]到晶體生長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)效率，所述晶化1300 ~ 600"C和1 x 10—2 ~ 1 x l(T3托的壓力下進(jìn)行10~120分鐘。低于1300"C，會(huì)形成非晶膜并且雜 質(zhì)(例如Fe)仍留在所述碳化硅納米線的表面上。晶化時(shí)間小于10分鐘， 很少或沒有碳化硅納米線形成。在壓力高于lxl0 —2托時(shí)，形成含大量雜 質(zhì)的多晶第二相。通過向所述二氧化硅和所述碳發(fā)生反應(yīng)的反應(yīng)器中通入純氬氣、含 10%氫氣的氬氣或其混合氣來形成所述惰性氣氛。優(yōu)選地，將選自4N或 更高濃度的氬氣和含10 %氫氣的氬氣的至少一種氣體以0.5 ~ 2標(biāo)準(zhǔn)升每 分鐘(SLM)的流量通A^應(yīng)器。所述多孔載體在氬氣存在的條件下通過下述反應(yīng)路線1轉(zhuǎn)化為碳化 硅(SiC ):Si。2(s)+C(s)—SiO(g)+CO ( g) T [1]Si02(s)+3C(s)^SiC(s)+2CO ( g) T [2SiO(g)+2C(s)—SiC(s)+CO ( g) T[3](1)參照反應(yīng)路線l， 二氧化硅(Si02)和碳(C)作為初始材料相互反 應(yīng)以在氣相中形成一氧化硅(SiO)(反應(yīng)[l]), 二氧化珪和碳通過晶化反 應(yīng)形成碳化硅(SiC )(反應(yīng)[2]),并且在反應(yīng)[1中形成的所述一氧化硅和 ^!^應(yīng)形成碳化珪(反應(yīng)[3)。碳含量和反應(yīng)溫度影響反應(yīng)[11和[2。當(dāng)含氫氣的氬氣通入所述反應(yīng)器中時(shí)，所述多孔載體通過下述^^應(yīng)路 線2轉(zhuǎn)化為碳化硅(SiC ):Si02(s)+C(s)—SiO(g)+CO(g) T [12H2(g)+C(s)—CH4(g" [2]SiO(s)+2CH4(g)—SiC(s)+CO (g)個(gè)+ 4H2(g) T [3] ( 2 )參照反應(yīng)路線2， 二氧化硅和^應(yīng)形成一氧化硅(反應(yīng)[1)，包含9在氬氣中的氫氣轉(zhuǎn)化為甲烷氣(反應(yīng)[2)，并且在反應(yīng)[ll中形成的所述一 氧化硅和甲烷氣通過晶化反應(yīng)形成碳化硅(反應(yīng)[3)。通過所述反應(yīng)步驟制備的碳化硅納米線是高純度、高密度的單晶。與 常規(guī)的已知碳化硅納米線不同，所述碳化硅納米線是在其外部和內(nèi)部表面 不含有雜質(zhì)顆粒、非晶膜或氧化物膜的高質(zhì)量納米線。所述碳化硅納米線具有納米范圍的直徑和微米范圍的長(zhǎng)度，表明所述 碳化硅納米線具有0.0005:1 ~ 0.05:1的縱橫比。這個(gè)高的縱橫比與所述碳 化硅納米線的應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)。具體地，本發(fā)明的單晶碳化硅納米線具有5 ~ 50 nm的直徑和1 ~ 200 jim的長(zhǎng)度，優(yōu)選地，具有20 ~ 50 nm的直徑和5 ~ 200 nm的長(zhǎng)度。特別地，根據(jù)本發(fā)明的方法，使用不昂貴的低級(jí)別的二氧化硅，并且 包含于二氧化硅中的雜質(zhì)(例如Fe)作為自然催化劑而不需要使用任何特 殊的催化劑，來制備單晶碳化硅納米線。因此，本發(fā)明所述的方法可優(yōu)選 用于單晶碳化硅納米線的大恥漠制備，并在加工和成本方面比使用昂貴高 純度二氧化硅和催化劑的常規(guī)方法具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由所述方法制備的單晶碳化硅納米線可有效地用于納米電子器件的 制造，包括電子槍發(fā)射器和MEMS探針尖端，用于顯示器(例如場(chǎng)發(fā)射 顯示器(FEDs))和分析儀。本發(fā)明所述的制備方法可通過適當(dāng)改變所使用的設(shè)備來進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明所述的制備方法,碳化硅納米線可在各種制品表面上生長(zhǎng) 為晶體并經(jīng)受表面處理。作為替代，根據(jù)本發(fā)明所述的方法制備的碳化硅 納米線可在各種制品內(nèi)生長(zhǎng)為晶體。作為代表性的例子，根據(jù)本發(fā)明所述方法制備的單晶碳化硅納米線是 通過具有預(yù)定結(jié)構(gòu)的過濾器基底的腔室來生長(zhǎng)的。結(jié)果得到的過濾器結(jié)構(gòu) 可用于各種目的。本發(fā)明也提供了包含生長(zhǎng)在其中的單晶碳化硅納米線的過濾器。本發(fā) 明所述的過濾器是通過如下方法制備混合二氧化硅和碳，壓制所述混合 物以形成多孔載體，將所述多孔載體置于具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的過濾器基底的 之上或之下，和在惰性氣氛下將所得的結(jié)構(gòu)晶化以通過所述過濾器基底生 長(zhǎng)單晶碳化硅納米線。每一步的加工條件與前述的相同。優(yōu)選所述過濾器具有高的孔隙率和足夠的孔徑以允許單晶碳化硅納 米線通過其來生長(zhǎng)。所述過濾器可具有各種形狀。圖2a和2b為描述才艮據(jù)本發(fā)明通過過濾器基底50的腔室多孔載體40 生長(zhǎng)為單晶碳化硅的圖。為協(xié)助理解本發(fā)明，在圖2a和2b中顯示了具有 蜂窩狀結(jié)構(gòu)的過濾器基底。所述過濾器基底的結(jié)構(gòu)可被本領(lǐng)域技術(shù)人員修 改為各種形狀，而不受限制。參照?qǐng)D2a和2b，由低級(jí)別二氧化硅和碳構(gòu)成的多孔載體4(^皮置于 所述蜂窩狀過濾器基底50的之下，并在結(jié)晶過程中被加熱和加壓轉(zhuǎn)化為碳 化硅60，其然后生長(zhǎng)為具有納米線形式的晶體。本發(fā)明所述的過濾器可用于各種領(lǐng)域。例如，本發(fā)明所述的過濾器應(yīng) 用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的過濾系統(tǒng)以達(dá)到改善的過濾性能和延長(zhǎng)壽命。『實(shí)施方案J此后，提供了優(yōu)選的實(shí)施方案以協(xié)助進(jìn)一步理解本發(fā)明。下面的實(shí)施 例用于進(jìn)一步理解本發(fā)明，而不意味著在任何方面限制本發(fā)明的范圍?！簩?shí)施例J實(shí)施例l:單晶碳化硅納米線的制備將二氧化硅粉末(純度:97%,直徑0.1 nm)和炭黑(0.5nm)引 入球磨機(jī)并混合24小時(shí)以獲得混^#末。此時(shí)，調(diào)節(jié)所述二氧化硅粉末與 所述炭黑的重量比為3:1。所述混合的粉末在250 kg/cm2的壓力下凈皮單軸 壓制成盤狀的多孔載體。所述多孔載體具有35%的孔隙率和5 ~ 7 jun的孑L 徑。使所述多孔載體晶化以制備具有直徑為50 nm且長(zhǎng)度為100 jim的單 晶碳化硅納米線。具體地，所述晶化用圖3中所示的系統(tǒng)來進(jìn)行。所述晶 化系統(tǒng)包括真空室100、溫度和壓力計(jì)130和泵140。所述真空室100在其 上部和下部具有碳加熱器110并且在中心具有托盤。所述混合的粉末200 被置于所述托盤120上。在加熱的同時(shí)將氬氣以1 SML的流量引入所述真 空室110之后，并在1400X:的溫度和4 x l(T2托的壓力下晶化所述混^^ 末60分鐘以制備單晶碳化硅納米線。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例l:形貌分析(SEM-EDS)在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的形貌由掃描電子顯孩史鏡 (SEM)來確定。結(jié)果示于圖4a和4b。圖4a和4b是單晶碳化硅納米線在放大倍數(shù)分別為500 x和5 kx下 的掃描電鏡照片。圖4a和4b的照片表明所述單晶碳化硅納米線是線性生長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例2:元素分析(EDS)在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的元素分析通過能量色散X-射線鐠(EDS)來進(jìn)行。結(jié)果示于圖5。圖5為表示X射線顯微分析結(jié)果的譜圖。圖5中所示的i普?qǐng)D顯示了 所述單晶碳化硅納米線僅僅由碳和珪所組成。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例3:晶體結(jié)構(gòu)分析(XRD )在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的晶體結(jié)構(gòu)通過X射線衍射 (XRD )鐠進(jìn)行分析。結(jié)果示于圖6。圖6為顯示X射線衍射分析結(jié)果的 譜圖。圖6中所示的譜圖揭示了所述單晶碳化硅納米線僅僅由碳和硅所組 成。另外，圖6中可觀察到代表所述SiC-3C (p-SiC)的晶體結(jié)構(gòu)的峰， 表明所述單晶碳化硅納米線生長(zhǎng)為高密度單晶。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例4:雜質(zhì)分沖斤(HRTEM)進(jìn)行高分辨率透射電子顯微鏡觀察以檢測(cè)實(shí)施例1中制備的單晶碳 化硅納米線中包含的雜質(zhì)。結(jié)果示于圖7。圖7為所述單晶碳化硅納米線 的高分辨率透射電子顯微鏡照片(放大倍數(shù)500k)。圖7中的照片顯示如非晶氧化硅)出現(xiàn)，表明所述納米線以高純度生長(zhǎng)。 實(shí)驗(yàn)實(shí)施例5:單晶結(jié)構(gòu)分析(SAD )在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的單晶結(jié)構(gòu)通過選擇性區(qū)域 衍射(SAD)分析進(jìn)行確認(rèn)。結(jié)果示于圖8。圖8表示在單晶碳化硅納米 線的晶帶軸(011)中測(cè)得的選擇區(qū)域衍射(SAD)圖案。圖8中的照片表 明所述單晶碳化珪納米線以(111)方向生長(zhǎng)為單晶。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例6:自然催化劑的確認(rèn)(TEM/EDS )分別用透視電子顯微鏡和能量色散X-射線譜(EDS)來檢測(cè)在實(shí)施 例1中制備的單晶碳化硅納米線中Fe作為自然催化劑的存在性以及催化 劑層的形狀。圖9a為單晶碳化硅納米線尖端的透射電子顯微鏡照片(放大 倍數(shù)為100k)，和圖9b為表示圖9a中尖端的能量色散X-射線鐠(EDS)分析結(jié)果的語(yǔ)圖。如圖9a中箭頭所示，球形金屬催化劑在單晶碳化硅納米 線頭部形成。通過EDS對(duì)所述尖端進(jìn)行元素分析。結(jié)果，如圖9b所示， 確認(rèn)存在Fe。圖10a是在實(shí)施例1中制備的單晶碳化硅納米線的核部分的 透射電子顯微鏡照片(放大倍數(shù)為100k)，和圖10b為表示圖10a中所示 核部分的能量色散X-射線譜(EDS )分析結(jié)果的譜圖。圖10a中的照片顯 示在圖9a中觀察到的Fe消失了 ，并且圖10b中的i普?qǐng)D表明所述單晶碳化 硅納米線僅僅由純的碳化硅形成。由這些結(jié)果得出結(jié)論低級(jí)別二氧化硅 中包含雜質(zhì)例如鐵作為自然催化劑，有助于所述單晶碳化硅納米線的生 長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例2:包含生長(zhǎng)于其中的碳化硅納米線的蜂窩狀過濾器的制造將二氧化硅粉末(純度:97%，直徑O.lftm)和炭黑(0.5fim)引 入球磨并混合24小時(shí)以獲得混合粉末。此時(shí)，調(diào)節(jié)所述二氧化珪粉末與所 述炭黑的重量比為3:1。所述混合的粉末在250 kg/cm2的壓力下被單軸壓 制成盤狀的多孔載體。所述多孔載體具有35%的孔隙率和5 ~ 7 jim的孑L 徑。將所述多孔載體置于真空室中并且將蜂窩狀過濾器基底置于其上。所 述蜂窩狀基底具有50 。/。的孔隙率和20 nm的孔徑。在將含10 %氫氣的氬 氣以2 SML的流量通入所述真空室中的同時(shí)，在4 x 10_2托的壓力和1400 "C的溫度下使所得結(jié)構(gòu)晶化60分鐘，以通過所述蜂窩狀過濾器基底的腔室 來生長(zhǎng)單晶碳化硅納米線(直徑8nm，長(zhǎng)度4jmi)。實(shí)驗(yàn)實(shí)施例7:結(jié)構(gòu)確定(SEM)掃描電鏡(SEM)用于確定單晶碳化硅納米線是否在實(shí)施例2中的 蜂窩狀過濾器基底2的腔室中生長(zhǎng)。圖lla， llb， llc和lld是所述蜂窩 狀過濾器分別在30倍、2k倍、500倍和lk倍下的掃描電子顯微鏡照片。 這些照片揭示了碳化硅通過蜂窩狀過濾器基底的腔室生長(zhǎng)為納米線形式 的單晶?！汗I(yè)應(yīng)用Ji從前述描述可很明顯地看出，本發(fā)明所述的單晶碳化硅納米線可用于 納米電子器件的制造，包括電子槍發(fā)射器和MEMS探針尖端，用于各種 顯示器和分析儀。本發(fā)明所述的過濾器可應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣過濾系 統(tǒng)，以達(dá)到改善的過濾性能和延長(zhǎng)壽命。
權(quán)利要求
1.一種縱橫比為0.0005∶1～0.05∶1的單晶碳化硅納米線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶碳化硅納米線，其中所述納米線具有20 ~ 50 nm的直徑和5 ~ 200 nm的長(zhǎng)度。
3. —種用于制備單晶碳化硅納米線的方法，所述方法包括如下步驟 混合二氧化硅和碳；壓制所述混合物以形成多孔載體；和在惰性氣氛下晶化所述多孔載體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述二氧化硅和所述碳以重量比 6:1 ~ 0.5:1進(jìn)行混合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述二氧化硅和所述碳以重量比 4:1~1:1進(jìn)行混合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述二氧化硅為純度97%或更高 的低級(jí)別二氧化硅。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述碳選自炭黑、科琴黑、乙炔黑、 超導(dǎo)電乙炔(Denka)黑、Doca黑，及其混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過單軸壓制或等靜壓實(shí)施所述壓 制。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述多孔載體具有30 o/。 ~ 70 %的 孔隙率和1 ~ 10 jim的孔徑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中通過通入氬氣、含10%氫氣的氬 氣或其混合氣形成所述惰性氣氛。
11. 才艮據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在1300 1600"C且lxio-2-lx 10—3托的壓力下進(jìn)行所述晶化。
12. —種包含權(quán)利要求1所述的單晶碳化硅納米線的過濾器。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過濾器，其中所述單晶碳化硅納米線是在過 濾器基底的表面或其內(nèi)部生長(zhǎng)的。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的過濾器，其中所述過濾器是機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)尾 氣過濾器。
15. —種用于制備所述過濾器的方法，所述方法包括以下步驟: 混合二氧化硅和碳； 壓制所述混合物以形成多孔載體； 將所述多孔載體置于過濾器^^底上面或下面，和 在惰性氣氛下晶化所得結(jié)構(gòu)以生長(zhǎng)單晶碳化硅納米線。
全文摘要
提供了單晶碳化硅納米線及所述納米線的制備方法。所述單晶碳化硅納米線具有很高的縱橫比并可用于納米電子器件的制造，包括電子槍發(fā)射器和MEMS探針尖端，用于各種顯示器和分析儀。另外提供了包含所述納米線的過濾器。所述過濾器應(yīng)用于用于過濾機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的系統(tǒng)，以獲得改善的過濾性能和延長(zhǎng)壽命。
文檔編號(hào)B01D39/00GK101325994SQ200780000639
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2007年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
發(fā)明者卞潤(rùn)基, 崔成哲, 李尚勳, 李鎮(zhèn)石 申請(qǐng)人:漢陽(yáng)大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)