CN102500380A

CN102500380A - 一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法

Info

Publication number: CN102500380A
Application number: CN2011103893029A
Authority: CN
Inventors: 李恩玲; 崔真; 赵涛; 赵丹娜; 朱鹏飞; 刘满仓; 马德明
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-06-20

Abstract

本发明公开了一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法，先清洗Si衬底，然后将清洗过的Si衬底放入硝酸镍乙醇溶液中超声振荡后放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底，把制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟，放入高温管式气氛炉，通入N₂除去管式炉中的空气，之后升温利用高温氨气刻蚀法在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒，最后，通入N₂清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。解决现有Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法中存在的工艺复杂，颗粒大小和分布不均匀的缺点。

Description

一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法。

背景技术

从上世纪90年代碳纳米管的发现开始，一维纳米材料成了人们研究的热点之一。从基础科学的角度看，纳米材料的力、热、电、光、磁等性质，与传统块体材料有很大差异，其研究具有丰富的科学内容和重要的科学价值。从技术应用的角度看，电子信息技术的突飞猛进，对器件的微型化、灵敏度、集成度提出了更高的要求，器件的基本组成单元特征尺寸已经到了纳米量级，达到了传统材料和器件的制备、加工、构造的极限，必须要有新的基于纳米材料体系的科学技术才能解决这一问题。一维纳米材料是二十一世纪科研新的立足点，有望成为未来纳米器件的关键组成，其可控生长是其器件化的关键科学技术问题之一。

目前，过渡金属催化剂被广泛的应用于一维纳米材料的制备中，为了制备一维纳米材料或高度取向的纳米阵列，例如纳米线及其阵列或纳米棒及其阵列，制备一维纳米材料之前衬底上纳米Ni、Au、Pt等催化剂颗粒的自组装生长及其分散的均匀程度、颗粒的大小及均匀程度对一维纳米材料的可控制备很重要。而现有方法制备纳米Ni催化剂颗粒的方法存在工艺复杂，颗粒大小和分布不均匀等缺点，影响一维纳米材料或高度取向的纳米阵列的制备。

发明内容

本发明的目的是提供一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法，解决现有Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法中存在的工艺复杂、颗粒大小和分布不均匀的缺点。

本发明所采用的技术方案是，一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1：在Si衬底上制备Ni薄膜：

首先，将Si基片放入体积比为1∶1的浓硝酸和双氧水的混合溶液中煮沸10min，再放入按体积比为1∶1∶6的双氧水、氨水和去离子水的混合溶液中煮沸10min，再将Si基片氢氟酸溶液中浸泡15秒钟后用去离子水将硅基片清洗干净；最后，将硅基片放在体积比为1∶1∶6的双氧水、盐酸和去离子水的混合溶液中煮15min，取出后用去离子水冲洗，然后，将清洗过的Si衬底放入配置好的硝酸镍的乙醇溶液中超声振荡2小时后取出，之后放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底；

步骤2：纳米Ni催化剂颗粒的制备：

把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，同石英舟一起放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂ 20min，用以除去管式炉中的空气，之后将炉内温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至750℃～850℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温20～40min后关闭NH₃，最后，通入N₂5min以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

本发明的特点还在于，

步骤1中所述的Si衬底为Si(111)衬底。

步骤1中所述的氢氟酸溶液的体积浓度为10％。

步骤1中所述的硝酸镍的乙醇溶液的质量浓度为2％。

本发明的有益效果是，通过用高温氨气刻蚀法在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒，得到的纳米Ni催化颗粒大小、分布均匀，密度大，为一维纳米材料的制备提供优质的催化剂颗粒。

附图说明

图1是本发明方法在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒的XRD图谱；

图2是本发明方法在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒的SEM图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法，利用高温氨气刻蚀法在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒，具体按照以下步骤实施：

步骤1：在Si衬底上制备Ni薄膜：

首先，将Si(111)衬底放入1∶1体积比的浓硝酸和双氧水的混合溶液中煮沸10min；再放入按1∶1∶6体积比的双氧水、氨水和去离子水的混合溶液煮沸10min；再将硅基片放在10％氢氟酸溶液中浸泡15秒钟后用去离子水将硅基片清洗干净；最后，将硅基片放在体积比为1∶1∶6的双氧水、盐酸和去离子水的混合溶液中煮15min，取出后用去离子水冲洗。

然后，配置质量浓度为2％的硝酸镍乙醇溶液，将清洗过的Si衬底放入配置好的硝酸镍乙醇溶液中超声振荡2小时后取出，放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底；

步骤2：纳米Ni催化剂颗粒的制备：

把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，把石英舟放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂ 20min，用以除去管式炉中的空气，再将温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至750℃～850℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温20～40min后关闭NH₃。最后，通入5min N₂以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却降至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

实施例1

步骤1：首先，将Si(111)衬底放入1∶1体积比的浓硝酸和双氧水的混合溶液中煮沸10min；再放入按1∶1∶6体积比的双氧水、氨水和去离子水的混合溶液煮沸10min；再将Si(111)衬底放在10％氢氟酸溶液中浸泡15秒钟后用去离子水将硅基片清洗干净；最后，将Si(111)衬底放在体积比为1∶1∶6的双氧水、盐酸和去离子水的混合溶液中煮15min，取出后用去离子水冲洗。然后，配置质量浓度为2％的硝酸镍乙醇溶液，将清洗过的Si(111)衬底放入配置好的硝酸镍乙醇溶液中超声振荡2小时后取出，放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底。

步骤2：把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，把石英舟放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂20min，用以除去管式炉中的空气，再将温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至750℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温30min后关闭NH₃。最后，通入5min N₂以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却降至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

实施例2

步骤1：首先，将Si(111)衬底放入1∶1体积比的浓硝酸和双氧水的混合溶液中煮沸10min；再放入按1∶1∶6体积比的双氧水、氨水和去离子水的混合溶液煮沸10min；再将Si(111)衬底放在10％氢氟酸溶液中浸泡15秒钟后用去离子水将Si(111)衬底清洗干净；最后，将Si(111)衬底放在体积比为1∶1∶6的双氧水、盐酸和去离子水的混合溶液中煮15min，取出后用去离子水冲洗。

然后，配置质量浓度为2％的硝酸镍乙醇溶液，将清洗过的Si衬底放入配置好的硝酸镍乙醇溶液中超声振荡2小时后取出，放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底。

步骤2：把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，把石英舟放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂20min，用以除去管式炉中的空气，再将温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至800℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温20min后关闭NH₃。最后，通入5min N₂以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却降至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

实施例3

步骤1：首先，将Si(111)衬底放入1∶1体积比的浓硝酸和双氧水的混合溶液中煮沸10min；再放入按1∶1∶6体积比的双氧水、氨水和去离子水的混合溶液煮沸10min；再将Si(111)衬底放在10％氢氟酸溶液中浸泡15秒钟后用去离子水将Si(111)衬底清洗干净；最后，将Si(111)衬底放在体积比为1∶1∶6的双氧水、盐酸和去离子水的混合溶液中煮15min，取出后用去离子水冲洗。然后，配置质量浓度为2％的硝酸镍乙醇溶液，将清洗过的Si衬底放入配置好的硝酸镍乙醇溶液中超声振荡2小时后取出，放入马弗炉干燥，得到涂覆有Ni薄膜的Si衬底。

步骤2：把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，把石英舟放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂20min，用以除去管式炉中的空气，再将温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至850℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温40min后关闭NH₃。最后，通入5min N₂以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却降至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

在进行该发明的方法的研究过程中，我们发现影响纳米Ni催化剂颗粒形貌的主要因素有：

1)刻蚀温度对形貌的影响；

2)刻蚀时间对形貌的影响。

所以对以上实施例得到的三种纳米Ni催化剂颗粒进行SEM表征，通过形貌分析发现，刻蚀温度为800℃时得到的纳米Ni催化颗粒大小、分布均匀，密度大。所以，在管式炉中氨气刻蚀温度设定为800℃时为优选方案。

并且对得到的三种纳米Ni催化剂颗粒进行SEM表征，通过形貌分析发现，刻蚀时间为30min时得到的Ni纳米颗粒大小、分布均匀，密度大。所以，在管式炉中氨气刻蚀时间设定为30min时为优选方案。

本发明方法利用高温氨气刻蚀方法在Si(111)衬底上制备出了分布和大小均匀、密度较大的纳米Ni催化剂颗粒。如图1所示，是本发明在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒的XRD图谱，从图中可以看出，所有衍射峰与ASTM数据Ni的衍射峰符合很好，XRD图谱结果表明所制备样品是Ni颗粒。

图2是本发明在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒的SEM图像，是优选方案下在Si衬底上制备的纳米Ni催化剂颗粒的表征，从图中可以观察到生成了大量的分布和大小均匀的纳米Ni催化剂颗粒，直径为100～150nm。

一维半导体纳米材料有望成为未来纳米器件的关键组成，是半导体纳米材料的重要成员，在未来有很大的应用前景，是未来半导体激光器及光电探测器、光学数据存储、高性能紫外探测器和高温、高频、大功率半导体器件等光电子学和微电子学领域应用的材料基础。因此，对一维半导体纳米材料的可控制备技术研究在目前整个一维纳米材料的研究中占有很重要的地位。制备一维纳米材料的工艺中，衬底上纳米Ni、Pt催化剂颗粒分散的均匀程度、颗粒的大小均匀程度对一维纳米材料的制备很重要。本发明中，我们用高温氨气刻蚀法在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒，此方法简单、颗粒大小和分布均匀。

Claims

1.一种在Si衬底上制备纳米Ni催化剂颗粒的方法，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1：在Si衬底上制备Ni薄膜：

步骤2：纳米Ni催化剂颗粒的制备：

把步骤1制得的涂覆有Ni薄膜的Si衬底放入石英舟的中间位置，同石英舟一起放入高温管式气氛炉的恒温区，通入流量为300sccm的N₂ 20min，用以除去管式炉中的空气，之后将炉内温度升至310℃，保持310℃恒温30min后关闭N₂；然后，继续升温至750℃～850℃，此时通入流量为100sccm的NH₃，保持恒温20～40min后关闭NH₃，最后，通入N₂ 5min以清除管式炉中的NH₃，同时自然冷却至常温，即完成在Si衬底制备的纳米Ni催化剂颗粒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的Si衬底为Si(111)衬底。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的氢氟酸溶液的体积浓度为10％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的硝酸镍的乙醇溶液的质量浓度为2％。