[发明专利]一种低氧含量超细非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了本发明提供一种低氧含量超细非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：形成两个大气压磁旋转电弧等离子体，分别为上游等离子体和下游等离子体；在上游等离子体引入含硅的有机前驱体，在下游等离子体引入气态烃，在等离子体引发下反应获得低氧含量超细非晶碳化硅纳米颗粒。其中，所述大气压磁旋转电弧等离子体具有非平衡特性，等离子体电子能量为2.0‑10.0eV，重粒子温度为500‑1500K。本发明工艺在常压下进行，反应条件温和；制备的非晶碳化硅纳米颗粒平均粒径小于10nm，颗粒表面氧原子数百分比低于3％，方便产品的储存、运输和应用。

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体是一种低氧含量超细非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法。

背景技术

碳化硅是一种重要的半导体陶瓷材料，具有优异的热、力、光、电等特性，可用于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件。碳化硅根据其结构的有序性可分为晶体碳化硅和非晶体碳化硅，相比于晶体碳化硅纳米材料，非晶碳化硅纳米材料中Si和C的化学计量比可调，导致微观结构的改变，影响其电子结构，从而使其具有一系列独特的光电性能。目前研究较多的是非晶碳化硅薄膜，人们利用低温化学或物理气相沉积、中子轰击、离子束合成等方法制备了非晶态碳化硅薄膜，并研究了其结构，形貌与性能等。然而，迄今为止对超细非晶碳化硅纳米颗粒（粒子平均粒径小于10 nm）的制备的研究非常少。Zhu等人（Luminescentamorphous silicon carbide ultrafine nanoparticles fabricated by pulsed-laserablation. Applied Physics A 123, no. 4 (2017): 244; 发光非晶碳化硅纳米颗粒的制备方法，专利号：CN105236410A）报道了以抛光的3C-SiC多晶为靶材，采用脉冲激光烧蚀法，得到了分散于去离子水中、平均粒径在10 nm左右的非晶碳化硅纳米颗粒，但该方法的设备成本较高，并且需要的原料昂贵（高纯度的碳化硅多晶片）。McFarland等人(Synthesisof amorphous silicon carbide nanoparticles in a low temperature low pressureplasma reactor. Nanotechnology 19, no. 32 (2008): 325601.)报道了使用微波等离子体在低温低压条件下分解四甲基硅烷，连续气相合成了粒径小于10 nm的非晶碳化硅纳米颗粒，但是这种方法要求等离子体区的压强维持在1-10 Torr，使其工业化规模生产的成本较高。此外，超细非晶碳化硅颗粒由于其粒径小、比表面积大，当暴露于空气中时，颗粒表面的硅活性位点极易被氧化，形成Si-O或Si-O-C键，从而引入大量的氧原子。根据论文(Synthesis of amorphous silicon carbide nanoparticles in a low temperaturelow pressure plasma reactor. Nanotechnology 19, no. 32 (2008): 325601.)数据可以估计，其合成的超细非晶碳化硅颗粒表面的氧原子数百分比超过15%，并且这种氧化过程难以控制，氧原子含量无法调控，从而对超细非晶碳化硅纳米颗粒的储存、运输和品质带来负面影响。

大气压磁旋转电弧等离子体是同轴式电弧等离子体，在外加轴向磁场的驱动下，电弧在一对同轴电极之间高速旋转，形成圆盘状等离子体区域。这种等离子体具有优异的稳定性、高的非平衡特性、连续的工作模式以及常压的工作方式，在纳米材料合成领域展现出非常大的优势。中国科学技术大学夏维东课题组提出了利用大气压磁旋转电弧等离子体分解六甲基二硅烷制备超细非晶碳化硅颗粒的方法（Simple synthesis of ultrafineamorphous silicon carbide nanoparticles by atmospheric plasmas. MaterialsLetters 299, (2021): 130072）。制备的超细非晶碳化硅颗粒平均粒径约9nm，令人遗憾的是，其合成的超细非晶碳化硅颗粒同样极易被空气氧化，颗粒表面的氧原子数百分比约为18.3%。