[发明专利]一种窄带发光黄色纳米硅颗粒的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种窄带发光黄色纳米硅颗粒的制备方法。

背景技术

自上世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，硅纳米颗粒由于拥有异于传统硅颗粒的特异效应，如小尺寸效应、量子限域效应、表面效应、宏观量子隧道效应和催化效应等，派生出光学性能、化学性能、催化性能和磁性能等众多独特的功能，受到科学界的广泛关注。其中，与硅纳米颗粒尺寸相关的，不同于宏观材料的光学性能是人们关心的热点。硅的良好电学性能决定了其在电子学领域的普遍应用，然而宏观尺度的硅材料不能发光，无法成为有效的光电子器件，这是它间接带隙半导体特性所决定的。令人振奋的是，根据量子限域理论，当硅颗粒的直径小于10个纳米时，硅的能带便趋于直接带隙，同时伴随禁带宽度增加。这就为硅进一步在光电领域的应用发展提供了有利途径。

目前，硅纳米颗粒所具备的光发射、微观散射等光学特性，以及其强渗透性、低毒性、很好的生物相容性，使其广泛应用于电子、光电子和生物医学等领域。为满足实用化的需求，纳米颗粒的制备必须工艺简单、成本低且纯度高。而传统的物理方法和化学方法都有一定的限制，就物理方法而言，机械粉碎法制备工艺虽然简单，但耗能高，并且粉碎得到的纳米颗粒纯度低，粒径分布宽，只适用于那些对颗粒纯度和精度要求不高的行业。常规的化学方法有液相法和气相法。液相法工艺简单，但粒径大小不可控制，一些过程有毒性，且需一系列后续处理过程，如固液分离、清洗、干燥等；气相法生产纳米颗粒的设备复杂，成本高。因此，硅纳米颗粒的制备仍是一亟待解决的问题。

发明内容

为了克服上述缺点，我们发明了一种利用飞秒激光在一定气压范围的氮气或惰性气体气氛中制备纳米硅颗粒的方法。制备出的颗粒大部分直径小于10nm且粒径分布主要集中在1～4nm。

为达到上述发明的目的，提供了一种窄带发光黄色纳米硅颗粒的制备方法，其主要工艺为：将选取并清洗干净的硅片与收集装置固定于加工腔内，在低于一个标准大气压的氮气或惰性气体气氛环境下，飞秒激光辐照硅片制备黄色纳米硅颗粒，在加工腔内输入一定范围气压的氮气或惰性气体，使飞秒激光辐照硅片产生的纳米硅颗粒能够沿着硅片竖直下落。

优选地，本发明所描述的制备窄带发光黄色纳米硅颗粒的具体方法为：

(1)选取硅片及收集装置。硅片的电阻率可以为但不限于1～10Ω·cm，硅片掺杂类型为p型，晶向<100>，至少一面为抛光面，大小不限；收集装置可以为硅片、玻璃片、石英片等，但不限于以上装置。

(2)清洗干净的硅片及收集装置置于加工腔内。首先将硅片与收集装置成垂直角度固定于样品架上，后将样品架吸附于加工腔内的强磁铁上，使得入射激光垂直照射在硅片的抛光表面。

(3)加工腔内通入氮气或惰性气体。抽真空至10^-5atm，再通入一个标准大气压的氮气或惰性气体，重复抽气充气2～3次，最后通入加工腔内的气体气压控制为0.03～0.3atm。

(4)激光脉冲沉积方法制备黄色纳米硅颗粒。飞秒激光经焦距为50cm的凸透镜聚焦入射至样品架上的硅片表面，样品架通过强磁铁牢固的吸附在一个三维平移台上，可以在移动平台的驱动下在垂直于入射激光方向上的二维平面内任意移动；在飞秒激光辐照下，硅片表层扫描区域会被刻蚀，产生大量硅纳米颗粒，在背景气体中能够缓慢竖直下落至收集装置。飞秒激光波长为800nm，脉宽为120fs，飞秒激光通量为1kJ/m²～6kJ/m²，移动平台水平方向和竖直方向移动速度均为1mm/s，飞秒激光照射到硅片表面的激光光斑直径为150μm，样品表面单位面积上接受的脉冲辐照数为150个，所谓单位面积在这里指飞秒激光辐照硅表面时，单个脉冲投影到样品表面上的面积。

(5)加工完成后，向加工腔内通入氮气或惰性气体，使腔内气压达到一个标准大气压取出收集装置，收集物外观为黄色，透射电镜观察实际为纳米颗粒。颗粒中不含氮或惰性气体杂质，主要由粒径为1～4nm的单晶纳米硅颗粒组成，其间夹杂少部分40～240nm的硅单晶大颗粒，两种硅颗粒分布都遵循对数正态分布。并且光致荧光实验证明此黄色纳米硅颗粒在室温可见光范围内表现出窄带发光性质。

有益效果

1、本发明所描述的制备窄带发光黄色纳米硅颗粒的方法具有操作简单、颗粒易收集的特点。

2、制备出的黄色纳米硅颗粒，颗粒粒径小且分布集中。大部分颗粒粒径为1～4nm，少部分为40～240nm的大颗粒。