溶劑熱法制備一系列碳化硅納米材料的研究

金 鑫

(西安文理學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安710065)

0 前言

通過研究發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電子性能和物化性能比較優(yōu)異，可以耐腐蝕和高溫，并且有著較好的導(dǎo)熱性和較高的機(jī)械強(qiáng)度，有著良好的生物相容性，因此被廣泛應(yīng)用到諸多個(gè)領(lǐng)域中，如微電子學(xué)、光電子學(xué)、機(jī)械工業(yè)等等。很多人認(rèn)為，微電子工業(yè)領(lǐng)域的硅可以被碳化硅所替代，相關(guān)計(jì)算表明，碳化硅納米材料的尺寸和表面會(huì)直接影響到它的電子性質(zhì)。

具體來講，有大量的同質(zhì)異構(gòu)體是碳化硅晶體結(jié)構(gòu)最為顯著的特征，這是因?yàn)檠刂鳦軸，SI-C有著不同的堆垛次序。目前，有很多的物理方法和化學(xué)方法都可以來制備碳化硅納米材料，如激光熔融、電弧放電、化學(xué)氣相沉積以及水熱/溶劑熱等。通過研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的方法需要在較高的溫度下方可以對(duì)碳化硅納米材料進(jìn)行有效的制備，這樣就無法有效的調(diào)控目標(biāo)產(chǎn)物的形貌和尺寸。針對(duì)這種情況，本文提出了溶劑熱法。

1 溶劑熱法合成一維碳化硅納米材料

在對(duì)分子電子器件進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，可以利用一維碳化硅納米材料來進(jìn)行，如納米線、納米等，因此人們對(duì)其產(chǎn)生足夠的重視。碳化硅納米線在力學(xué)性能和導(dǎo)電性能方面比較的優(yōu)異，那么在嚴(yán)酷條件下，就可以將其作為納米電導(dǎo)體。另外，碳化硅納米線在場(chǎng)發(fā)射性能以及生物相容性方面比較的優(yōu)良，因此就可以被廣泛應(yīng)用到儲(chǔ)氫、光催化以及傳感等諸多領(lǐng)域內(nèi)。美國(guó)哈佛大學(xué)的相關(guān)專家在上個(gè)世紀(jì)九十年代就開始了研究如何合成碳化硅納米棒，通過反應(yīng)SI的氧化物或鹵化物，這些物質(zhì)具有揮發(fā)性，會(huì)形成中間體，那么就作為硅源而存在，在一定溫度下，就可以用碳化硅納米棒來替代碳納米管。將溶劑熱技術(shù)給應(yīng)用過來，就可以將一維碳化硅納米材料給有效合成。

還有專家對(duì)硅油進(jìn)行高溫裂解，得出來了長(zhǎng)度1.5υm的納米棒，在儲(chǔ)氫性能方面比較的優(yōu)越，在600攝氏度的環(huán)境下，通過鎂帶來還原四氯化硅和2-乙氧基乙醇，經(jīng)過1個(gè)小時(shí)的反應(yīng)，可以得出一個(gè)截面為近矩形的納米棒陣列，這個(gè)納米棒陣列有著十分光滑的表面。要想促使得到得到納米椎陣列有著尖銳的頂端，那么就可以對(duì)反應(yīng)物濃度進(jìn)行適當(dāng)降低，它的頂端直徑較??；在這個(gè)反應(yīng)過程中，鎂帶發(fā)揮了重要的作用，鎂顆粒還可以發(fā)揮催化作用，來促使一維碳化硅納米材料被有效的生成。另外，通過研究發(fā)現(xiàn)，這些生成的納米棒和納米錐陣列在場(chǎng)發(fā)射性能方面比較的優(yōu)越，因此就可以被應(yīng)用到半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中。那么在高壓反應(yīng)釜內(nèi)應(yīng)用溶劑熱技術(shù)，在400攝氏度的環(huán)境中，促使四氯化硅、四氯化碳以及金屬鈉共同反應(yīng)，就可以促使納米棒有效合成。經(jīng)過試驗(yàn)表明，可以制得2.5nm直徑的納米棒，長(zhǎng)度以微米計(jì)算，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米棒嚴(yán)格遵循金屬鈉催化的氣液固生長(zhǎng)機(jī)制來生長(zhǎng)。同時(shí)，有專家在相同的溫度下，將金屬鉀為還原劑，同歸哦四氧化硅和四氧化碳的作用，可以將單晶納米棒給制備出來。

為了更好用溶劑熱條件來生成碳化硅納米線，還對(duì)很多的反應(yīng)體系進(jìn)行了發(fā)展。比如，當(dāng)環(huán)境溫度為700攝氏度，那么將硅源作為硅粉，通過和四氯化碳和金屬鈉共同反應(yīng)，可以生成納米線，它的直徑為20nm左右，通過研究發(fā)現(xiàn)，有一處強(qiáng)烈的發(fā)射峰存在于其中。在還原劑方面，采用金屬鈉，在原料方面采用四氯化硅和六氯苯，要想獲得碳化硅納米線，就可以在700攝氏度的環(huán)境中制備。

2 溶劑熱法合成其它形貌碳化硅納米材料

通過研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用溶劑熱法，不僅可以進(jìn)行一維碳化硅納米材料的制備，還可以制備其它新型碳化硅納米材料，如納米晶、二維納米片等等，這樣溶劑熱法的應(yīng)用范圍就得到了大大的擴(kuò)展。

在碳源方面我們選用活性炭，在600攝氏度的環(huán)境溫度下，和四氯化硅以及金屬鈉共同反應(yīng)，就可以進(jìn)行高結(jié)晶球狀納米晶的制備，納米晶的直徑在25nm左右，可以用還原碳化路徑來歸納它的生長(zhǎng)過程，也就是通過反應(yīng)，將活性硅顆粒給還原出來，然后在活性炭的作用下，來促使活性硅納米晶給生成出來。在600攝氏度的環(huán)境條件下，硅化鎂和過量四氯化碳也可以發(fā)生反應(yīng)，將納米顆粒給制備出來，它的直徑為30nm到80nm之間，同時(shí)，還有一些納米線和納米棒存在于其中。

在2004年，成功剝離了石墨烯材料，人們開始關(guān)注二維晶體材料，并且之后又合成了其他的二維材料，目前開始廣泛使用化學(xué)法，因?yàn)樗兄^強(qiáng)的可控性。將溶劑熱技術(shù)給利用起來，將過量四氯化硅和碳化鈣加入到高壓反應(yīng)釜中，控制反應(yīng)溫度為180攝氏度左右，那么就可以合成2H-SIC納米片，它有著15nm左右的厚度，有著500nm左右的尺寸。通過研究發(fā)現(xiàn)，這些生成的納米片容易團(tuán)聚，成為類球形；在這個(gè)反應(yīng)過程中，加入的四氯氧化硅原料除了作為反應(yīng)物存在之外，還將溶劑的作用給充分發(fā)揮出來，這樣就會(huì)有較大的自生壓力存在于反應(yīng)釜內(nèi)，促使結(jié)晶性碳化硅在低溫的條件下就被得出來。

近些年來，在藥物輸送以及儲(chǔ)氫和催化劑載體等方面開始應(yīng)用碳化硅空心球，因此受到了越來越多人的關(guān)注。在上文敘述中，我們介紹了一種碳化硅納米線的制備反應(yīng)體系，也就是四氯化硅、六氯苯、金屬鈉，在600攝氏度的反應(yīng)溫度下，就可以促使納米空心球制備出來。另外，在還原劑方面，采用的是Na-K合金，在原料方面采用四氯化硅和三溴甲烷，控制反應(yīng)溫度為130攝氏度，那么就可以將納米空心球給制備出來。通過研究發(fā)現(xiàn)，制備出來的納米空心球的直徑在85nm到125nm之間，并且有著十分粗糙的表面，那么我們就可以得知其聚集了很多的顆粒。

3 結(jié)語

通過上文的敘述分析我們可以得知，碳化硅納米材料目前在諸多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了十分廣泛的應(yīng)用；傳統(tǒng)的碳化硅納米材料因?yàn)樾枰谳^高的溫度下進(jìn)行，那么就無法有效的調(diào)控其形貌和特性，針對(duì)這種情況，就可以將溶劑熱法給利用起來，來對(duì)納米線、納米帶、納米棒以及空心球等進(jìn)行合成。但是我們需要充分注意的是，目前在溶劑熱法的應(yīng)用過程中，還存在著一系列的問題需要解決，相關(guān)人員需要不斷研究和努力，利用溶劑熱法來更好的制備碳化硅材料。

［1］成海鷗，崔斌，俞鵬飛.微乳液-溶劑熱法制備納米材料的研究進(jìn)展[J].電子器件，2007，2(6)：123-125.

［2］馬小建，孫?；郏X逸泰.碳化硅納米材料的溶劑熱合成[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2013，2(11)：98-99.

［3］魏明真.溶劑熱法合成納米材料的研究進(jìn)展[J].四川化工，2007，2(3)：199-201.