專利名稱：直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性能二氧化硅納米線的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體納米線由于尺寸小，具有不同于塊體材料的量子限域效應(yīng)而在許多方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能；同時，隨著大規(guī)模集成電路線寬的逐漸減小，對于半導(dǎo)體納米纖維的研究顯得尤為重要，半導(dǎo)體納米線對于將來與集成電路工藝相兼容表現(xiàn)出了良好的潛力。因此，這將使得對于硅及氧化硅納米線的合成與應(yīng)用研究被廣泛展開。到目前為止，對硅及氧化硅納米線的合成按照生長機理分主要有VLS法、氧化物輔助生長法、純化學(xué)法等等。在這些方法當(dāng)中，由于VLS和氧化物輔助制備方法較為簡單而被廣泛關(guān)注。
疏水性材料在玻璃、雷達、天線等許多需要防潮功能的領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。具有疏水表面材料的應(yīng)用可以為人類節(jié)省清潔費用和時間，可以借助雨水的作用自動清洗表面。目前人們對于各種有機物等材料進行了各種各樣的疏水性能研究。一維納米材料由于其特殊的幾何構(gòu)造，表面具備一定的粗糙度，從而滿足了疏水性的要求，因而包括納米碳管、硅納米線、ZnO等一維納米材料已經(jīng)被研究用于疏水性能。但對于氧化硅納米線在疏水性能方面，研究才剛剛起步。同時，對于具有降低表面自由能作用的含氟有機物，已經(jīng)被用于多種疏水性材料表面，而在氧化硅納米線表面，也極少發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用研究。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，沒有發(fā)現(xiàn)有研究者對采用直接熱蒸發(fā)ZnS合成的二氧化硅納米線進行疏水性研究，只是對其它方法合成的一維納米材料進行了疏水性研究。比如Y.Coffinier等在《Langmuir》(《蘭格繆爾》)2007年第23期第1608-1671頁上發(fā)表的“Preparation of superhydrophobic siliconoxide nanowire surfaces”(制備超疏水性SiO2納米纖維表面)，該文中提出在SiO2納米纖維表面鍍一層含氟有機物，從而得到接觸角為150度的疏水表面。其不足在于制備程序復(fù)雜，成本較高，應(yīng)用范圍受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，使其可以簡單易行的在硅基底上大規(guī)模合成接觸角大于143度的超疏水性二氧化硅納米線表面。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明采用硅片作為反應(yīng)襯底和硅源，以固態(tài)ZnS粉末作為反應(yīng)輔助劑，以惰性氣體氬氣為載氣，通過在常壓下直接高溫?zé)嵴舭l(fā)反應(yīng)在硅片表面生長成二氧化硅納米線，之后再在合成出的二氧化硅納米線表面蒸鍍一層全氟硅烷，從而得到接觸角高于140度的超疏水性二氧化硅納米線表面。
本發(fā)明包括如下步驟第一步，將硅片(矩形硅片1×1cm)放入石英管式爐中央，固態(tài)ZnS粉末被固定在石英管氣體流入的一側(cè)；第二步，將爐體溫度升高到1350℃，在開始升溫時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應(yīng)溫度1350℃下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進行，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在硅片表面得到大量二氧化硅納米線；第四步，將得到的二氧化硅納米線和全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，進行蒸鍍反應(yīng)，得到具有超疏水性能的二氧化硅納米線樣品。
第一步中，反應(yīng)在臥式石英管式爐中進行，把固態(tài)ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側(cè)，矩形硅片放入石英管式爐中央。
第二步中，所述的將爐體溫度升高到1350℃，升溫速率為10℃/min。
第二步中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為50-500ml/min。
第三步中，所述的反應(yīng)持續(xù)進行，持續(xù)時間為2-5小時。
第四步中，所述的全氟硅烷體積為0.05-0.2ml，蒸鍍反應(yīng)溫度為150度，反應(yīng)時間3.0小時。
本發(fā)明通過常壓高溫下ZnS與氧氣反應(yīng)生成的S與硅反應(yīng)，生成SiS，其再分解生成Si，從而氧化形成二氧化硅納米線結(jié)構(gòu)，具體反應(yīng)方程為
Si+S＝SiS，2SiS↑＝Si+SiS2，Si+O2＝SiO2。
加入惰性保護氣體氬氣的目的主要是把S蒸氣帶到硅片表面并與之反應(yīng)。蒸鍍一層全氟硅烷有機物是為了降低表面自由能，從而使疏水性能提高，而一般物體沒有超疏水性，接觸角只有幾十度。
本發(fā)明工藝簡單易行，原料采用便宜而應(yīng)用廣泛的硅片和ZnS粉末，并且使用非常少含量的全氟硅烷，可以方便地通過簡易管式爐和烘箱合成出高疏水性的二氧化硅納米線表面。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用硅片作為反應(yīng)襯底和硅源，以固態(tài)ZnS粉末作為反應(yīng)輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載氣，通過在常壓下直接高溫?zé)嵴舭l(fā)反應(yīng)在硅片表面生長并被氧化成二氧化硅納米線，以全氟硅烷為表面改性有機物，制備工藝簡單，不存在金屬催化劑沾污，成本低廉，對環(huán)境無污染；采用惰性氣體保護，無明顯易燃危險原料，氣體價格低廉；設(shè)備工藝簡單，所制備出的樣品疏水性能高，接觸角最高可達到145度。


圖1為采用本發(fā)明所制備出二氧化硅納米線的掃描電鏡(SEM)照片圖2為接觸角為145度的超疏水性二氧化硅納米線光學(xué)顯微鏡照片具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
以下實施例采用硅片作為反應(yīng)襯底和硅源，以固態(tài)ZnS粉末為反應(yīng)輔助劑，以惰性氣體氬氣為載氣，在常壓高溫下直接進行反應(yīng)，從而形成硅納米線結(jié)構(gòu)。ZnS的存在會使得分解出的S與硅發(fā)生反應(yīng)生成SiS，SiS在較高溫度下會升華并分解出Si和SiS2，分解出的Si在高溫下氧化生長成二氧化硅納米線。將二氧化硅納米線和全氟硅烷密封放入不銹鋼器罐中進行蒸鍍反應(yīng)，得到具有超疏水性能的二氧化硅納米線樣品。
實施例1將裝有3片干凈硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于臥式石英管式爐中央，將5g固態(tài)ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側(cè)。以10℃/min的速率升溫到反應(yīng)溫度1350℃。在開始升溫時，通入氣體流量為50ml/min的氬氣；在反應(yīng)溫度1350℃下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進行2小時，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在硅片表面得到大量無序二氧化硅納米線樣品，見圖1，圖中可以看出，在硅片表面產(chǎn)生了大量無序排列的二氧化硅納米線。將合成出的二氧化硅納米線和0.05ml的全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，在150度下進行蒸鍍反應(yīng)3.0小時，得到接觸角高于140度的超疏水性二氧化硅納米線。
實施例2將裝有3片干凈硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于臥式石英管式爐中央，將5g固態(tài)ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側(cè)。以10℃/min的速率升溫到反應(yīng)溫度1350℃。在開始升溫時，通入氣體流量為500ml/min的氬氣；在反應(yīng)溫度1350℃下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進行3小時，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在硅片表面得到大量無序二氧化硅納米線樣品。將合成出的二氧化硅納米線和0.1ml的全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，在150度下進行蒸鍍反應(yīng)3.0小時，得到接觸角為145度的具有超疏水性能的二氧化硅納米線，見圖2，圖中可以看出，二氧化硅納米線樣品顯示出了的良好的疏水性能。
實施例3將裝有3片干凈硅片(矩形硅片1×1cm)的陶瓷舟置于臥式石英管式爐中央，將5g固態(tài)ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側(cè)。以10℃/min的速率升溫到反應(yīng)溫度1350℃。在開始升溫時，通入氣體流量為200ml/min的氬氣；在反應(yīng)溫度1350℃下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進行5小時，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在硅片表面得到大量無序二氧化硅納米線樣品。將合成出的二氧化硅納米線和0.2ml的全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，在150度下進行蒸鍍反應(yīng)3.0小時，得到接觸角大于140度的具有超疏水性能的二氧化硅納米線。
權(quán)利要求
1.一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征在于，采用硅片作為反應(yīng)襯底和硅源，以固態(tài)ZnS粉末為反應(yīng)輔助劑，以惰性氣體氬氣為載氣，在硅片上生長成二氧化硅納米線，再在合成出的二氧化硅納米線表面蒸鍍一層全氟硅烷，從而得到接觸角高于140度的超疏水性能二氧化硅納米線樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，包括如下步驟第一步，反應(yīng)在石英管式爐中進行，把固態(tài)ZnS粉末固定在石英管氣體流入的一側(cè)，矩形硅片放入石英管式爐中央；第二步，將爐體溫度升高到1350℃，在開始升溫時，通入惰性氣體氬氣；第三步，在反應(yīng)溫度1350℃下，保持腔內(nèi)氣體流量，反應(yīng)持續(xù)進行，反應(yīng)完后將反應(yīng)產(chǎn)物取出，在硅片表面得到大量二氧化硅納米線；第四步，將得到的二氧化硅納米線和全氟硅烷密封一并放入不銹鋼器罐中，進行蒸鍍，得到具有超疏水性能的二氧化硅納米線樣品。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第一步中，反應(yīng)在臥式石英管式爐中進行。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第二步中，所述的將爐體溫度升高到1350℃，升溫速率為10℃/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第二步中，所述的通入惰性氣體氬氣，氣體流量為50-500ml/min。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第三步中，所述的反應(yīng)持續(xù)進行，持續(xù)時間為2-5小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第四步中，所述的全氟硅烷，其體積為0.05-0.2ml。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第四步中，所述的蒸鍍，其溫度為150度。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或8所述的直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，其特征是，第四步中，所述的蒸鍍，其時間為3.0小時。
全文摘要
一種直接用ZnS粉末合成具有疏水性二氧化硅納米線的方法，屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用硅片作為反應(yīng)襯底和硅源，以固態(tài)ZnS粉末為反應(yīng)輔助劑，以惰性氣體氬氣為保護氣體及載氣，在硅片上生長成二氧化硅納米線，再在合成出的二氧化硅納米線表面蒸鍍一層全氟硅烷，從而得到接觸角高于140度的疏水性二氧化硅納米線樣品。本發(fā)明簡單易行，無金屬催化劑，對環(huán)境無污染，無明顯易燃危險原料；超疏水性能高，可以在許多需要自清洗的領(lǐng)域得到應(yīng)用。
文檔編號B82B3/00GK101066763SQ20071004170
公開日2007年11月7日 申請日期2007年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月7日
發(fā)明者?？〗? 王健農(nóng), 許前豐 申請人:上海交通大學(xué)