杜 凱 ,魏榮慧 ,楊海濱 ,李立本

(1.河南科技大學(xué)物理與工程學(xué)院,河南洛陽 471003;2.吉林大學(xué)原子與分子物理研究所超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林長春 130012)

0 前言

納米材料因其特殊的結(jié)構(gòu)而具有許多奇異特性,主要是由于納米顆粒的尺寸與電子的德布羅意波長、超導(dǎo)相干波長以及激子波爾半徑相比擬,電子被局限在一個體積十分狹小的納米空間內(nèi),電子輸運(yùn)受到了限制,電子平均自由程很短,導(dǎo)致電子局域性和相干性增強(qiáng)以及由于尺寸減小導(dǎo)致的量子尺寸效應(yīng)等,使得其在物理和化學(xué)性質(zhì)上與體材料有所不同。于是研究者就利用這個特點(diǎn)將各種材料做成納米尺寸的納米材料,從而使其力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及生物學(xué)等方面發(fā)生新的改變,以達(dá)到利用傳統(tǒng)物質(zhì)產(chǎn)生新特性的目的。

碳化硅納米晶就是一種經(jīng)過將傳統(tǒng)碳化硅材料進(jìn)行尺寸減小而獲得的一種新材料。因?yàn)槠鋵挼膸逗土孔映叽缧?yīng)受到廣泛關(guān)注。采用其合成的電子裝置具有很好的抗高溫、防輻射和耐腐蝕能力。而且自從人們發(fā)現(xiàn)間接帶隙的納米晶硅具有室溫下光致發(fā)光的能力[1-11],納米晶碳化硅也成為研究的下一個重點(diǎn),人們將它作為一種有希望的發(fā)光材料開展了大量的研究工作。此外納米碳化硅粉還可以作為耐磨材料和陶瓷材料的添加劑,從而達(dá)到增韌的效果[12-13]。

本文采用高分子液態(tài)的二甲基硅油為原料,在液相脈沖放電系統(tǒng)內(nèi)采用強(qiáng)放電進(jìn)行分解,制得了納米尺寸的碳化硅粉,并對其合成機(jī)理進(jìn)行了初步探討。

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 液相脈沖放電裝置示意圖

二甲基硅油購自中國北京化學(xué)試劑公司,化學(xué)純未經(jīng)進(jìn)一步純化。液相脈沖放電實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),將液體原料注入腔體,然后利用等離子開關(guān)提升電壓,到設(shè)定電壓值在腔體內(nèi)正負(fù)電極間進(jìn)行強(qiáng)脈沖放電,放電可以連續(xù)多次進(jìn)行,電壓在(2.53)×104V,電容采用小電容組并聯(lián),電容量為20μF。將實(shí)驗(yàn)獲得的黑色混合溶液進(jìn)行甲苯清洗并采用高速離心機(jī)離心分離,之后將分離得到的黑粉在 70℃真空氣氛下烘干。之后,樣品在空氣中600℃退火后用HF洗滌除去雜質(zhì)。

采用日本理學(xué)D/max-rA型X射線衍射儀:Cu Kαradiation(λ=154.18 pm);Renishaw-Invia FT–Raman拉曼譜儀:激發(fā)波長325 nm;日立透射電子顯微鏡對樣品進(jìn)行了表征。

2 結(jié)果與討論

圖2 SiC納米晶的XRD譜線

圖2給出的是樣品經(jīng)過處理前和處理后的XRD譜線,處理前的譜線噪聲明顯,但可以辨認(rèn)出與β-SiC有關(guān)的XRD峰,譜中還出現(xiàn)了單質(zhì)硅的衍射峰,而且各峰較強(qiáng),經(jīng)退火除雜質(zhì)過程后, SiC的衍射峰明顯增強(qiáng),硅的峰則完全消失,這說明雜質(zhì)已經(jīng)除去。譜中 3個主要的 XRD峰分別歸屬于β-SiC的(111)、(220)和(311)3個晶面,幾個與6H-SiC有關(guān)的小峰也出現(xiàn)在樣品的譜線中。對XRD峰采用謝樂公式進(jìn)行估算得到平均顆粒尺寸為22 nm。

為了進(jìn)一步了解制備的 SiC納米粒子的品質(zhì),對樣品進(jìn)行了拉曼測試,結(jié)果如圖3所示,譜中可以觀察到 4個主要拉曼峰分別位于 517.5 cm-1,793.1 cm-1,964.2 cm-1和1 5201 600 cm-1,對應(yīng)于單質(zhì)硅,β-SiC的橫向光學(xué)聲子模,縱向光學(xué)聲子模和與石墨相關(guān)的寬峰帶。通過對比XRD和Raman數(shù)據(jù)的結(jié)果可以看出:雜質(zhì)硅和碳的含量是微量的。β-SiC的橫向光學(xué)聲子模要明顯強(qiáng)于縱向光學(xué)聲子模,它們均呈現(xiàn)紅移現(xiàn)象,從體材料的796.0 cm-1和972.0 cm-1分別移動到793.1 cm-1和964.2 cm-1,這種紅移主要是由于顆粒尺寸小所導(dǎo)致的量子尺寸效應(yīng)形成的[14-15]。

圖4給出了β-SiC納米晶的透射電鏡照片,從圖4可以看出:顆粒尺寸分布在1060 nm范圍,也存在個別尺寸較大的粒子。納米顆粒由于表面懸鍵作用而團(tuán)聚在一起,但可以明顯辨別出單個顆粒邊緣,表明沒有出現(xiàn)硬團(tuán)聚。

3 結(jié)論

通過液相脈沖放電法采用有機(jī)物液體成功制備了 β-SiC納米晶。高能使得原料二甲基硅油分解,離子或原子發(fā)生重排形成新物質(zhì)。瞬間的能量消失使得合成的顆粒尺寸在納米量級。該方法可以作為一種簡單有效的方法用于合成其他納米尺寸的材料。

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