杜 凯 ,魏荣慧 ,杨海滨 ,李立本

(1.河南科技大学物理与工程学院,河南洛阳 471003;2.吉林大学原子与分子物理研究所超硬材料国家重点实验室,吉林长春 130012)

0 前言

纳米材料因其特殊的结构而具有许多奇异特性,主要是由于纳米颗粒的尺寸与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及激子波尔半径相比拟,电子被局限在一个体积十分狭小的纳米空间内,电子输运受到了限制,电子平均自由程很短,导致电子局域性和相干性增强以及由于尺寸减小导致的量子尺寸效应等,使得其在物理和化学性质上与体材料有所不同。于是研究者就利用这个特点将各种材料做成纳米尺寸的纳米材料,从而使其力学、电学、光学、磁学以及生物学等方面发生新的改变,以达到利用传统物质产生新特性的目的。

碳化硅纳米晶就是一种经过将传统碳化硅材料进行尺寸减小而获得的一种新材料。因为其宽的带隙和量子尺寸效应受到广泛关注。采用其合成的电子装置具有很好的抗高温、防辐射和耐腐蚀能力。而且自从人们发现间接带隙的纳米晶硅具有室温下光致发光的能力[1-11],纳米晶碳化硅也成为研究的下一个重点,人们将它作为一种有希望的发光材料开展了大量的研究工作。此外纳米碳化硅粉还可以作为耐磨材料和陶瓷材料的添加剂,从而达到增韧的效果[12-13]。

本文采用高分子液态的二甲基硅油为原料,在液相脉冲放电系统内采用强放电进行分解,制得了纳米尺寸的碳化硅粉,并对其合成机理进行了初步探讨。

1 实验

图1 液相脉冲放电装置示意图

二甲基硅油购自中国北京化学试剂公司,化学纯未经进一步纯化。液相脉冲放电实验装置原理图如图1所示。实验时,将液体原料注入腔体,然后利用等离子开关提升电压,到设定电压值在腔体内正负电极间进行强脉冲放电,放电可以连续多次进行,电压在(2.53)×104V,电容采用小电容组并联,电容量为20μF。将实验获得的黑色混合溶液进行甲苯清洗并采用高速离心机离心分离,之后将分离得到的黑粉在 70℃真空气氛下烘干。之后,样品在空气中600℃退火后用HF洗涤除去杂质。

采用日本理学D/max-rA型X射线衍射仪:Cu Kαradiation(λ=154.18 pm);Renishaw-Invia FT–Raman拉曼谱仪:激发波长325 nm;日立透射电子显微镜对样品进行了表征。

2 结果与讨论

图2 SiC纳米晶的XRD谱线

图2给出的是样品经过处理前和处理后的XRD谱线,处理前的谱线噪声明显,但可以辨认出与β-SiC有关的XRD峰,谱中还出现了单质硅的衍射峰,而且各峰较强,经退火除杂质过程后, SiC的衍射峰明显增强,硅的峰则完全消失,这说明杂质已经除去。谱中 3个主要的 XRD峰分别归属于β-SiC的(111)、(220)和(311)3个晶面,几个与6H-SiC有关的小峰也出现在样品的谱线中。对XRD峰采用谢乐公式进行估算得到平均颗粒尺寸为22 nm。

为了进一步了解制备的 SiC纳米粒子的品质,对样品进行了拉曼测试,结果如图3所示,谱中可以观察到 4个主要拉曼峰分别位于 517.5 cm-1,793.1 cm-1,964.2 cm-1和1 5201 600 cm-1,对应于单质硅,β-SiC的横向光学声子模,纵向光学声子模和与石墨相关的宽峰带。通过对比XRD和Raman数据的结果可以看出:杂质硅和碳的含量是微量的。β-SiC的横向光学声子模要明显强于纵向光学声子模,它们均呈现红移现象,从体材料的796.0 cm-1和972.0 cm-1分别移动到793.1 cm-1和964.2 cm-1,这种红移主要是由于颗粒尺寸小所导致的量子尺寸效应形成的[14-15]。

图4给出了β-SiC纳米晶的透射电镜照片,从图4可以看出:颗粒尺寸分布在1060 nm范围,也存在个别尺寸较大的粒子。纳米颗粒由于表面悬键作用而团聚在一起,但可以明显辨别出单个颗粒边缘,表明没有出现硬团聚。

3 结论

通过液相脉冲放电法采用有机物液体成功制备了 β-SiC纳米晶。高能使得原料二甲基硅油分解,离子或原子发生重排形成新物质。瞬间的能量消失使得合成的颗粒尺寸在纳米量级。该方法可以作为一种简单有效的方法用于合成其他纳米尺寸的材料。

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