总结
文献试验方法:化学气相沉积法
原料: 硼粉:氧化硼:碳粉=2:1:1
纳米四氧化三铁作为催化剂沉积在硅片上,将原料放入石英舟中将硅片放到石英舟上方在保护气氛氩气中加热,先以载流量为300sccm,升温速率为25摄氏度/min,加热至250度,保温40分钟以去除反应物中的水分和石英管中间的空气;再以载流量为50sccm,升温速率为55摄氏度/min,加热至800-1000度,然后保温4小时,最后让其自然冷却至室温。
原料要求及相关相关参数:
物质 纯度(%) 熔点(摄氏度)
硼粉 99.99 2067
氧化硼 99.99 445
四氧化三铁 99 (10nm) 1594(高温易还原为三氧化二铁) 硅 1410
碳 99 3500
实际原料:
物质 纯度(%)
硼粉 95
氧化硼 90
四氧化三铁 500nm (10nm) 碳 99
总述:由于实际实验中原料的纯度及尺度和实验要求相差较大,所以该实验造成了比较大的实验误差,加大了实验难度。我进行的实验主要是在以上的进行复制,然后再根据自己的实验结果对其中的各种条件进行修正,来让自己的实验效果达到最好。以下是实验的一些数据、结果及分析。
1.最初实验阶段按照文献的实验方法进行操作,
B:B203:C=0.010:0.005:0.005(单位g);
第一阶段:载流量:300sccm、升温速率:25摄氏度/min
保温温度:250摄氏度、保温时间35min
第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:900摄氏度、保温时间
4h
硅片被片状硼的氧化物覆盖
实验结果:这次的实验结果很不理想,一共有四个样品,但都没有长成线,都是连成片的物质,该物质初步分析是由硼氧构成的,只有极少的个别球状突起上面有较短的线。
实验结果分析:这次的实验之所以会有大片的碰的氧化物附着在硅片
上主要是因为这次试验中的Fe3O4分布不均而且量少的原因,Fe3O4在硅片上分布较为松散而且其聚集半径都很小,导致气态的氧、硼容易在硅片上浸润,而且生长速度很快,很快便可以延伸附着在半径较小的Fe3O4聚集体上,阻碍了气态物质直接与其接触生长,只有一些半径较大的聚集体在被覆盖前有少量纳米线长了起来。
2.实验方案(Fe3O4的形态对纳米线生长的影响):
B:B203:C=0.010:0.005:0.005(单位g);
第一阶段:载流量:300sccm、升温速率:25摄氏度/min
保温温度:250摄氏度、保温时间35min
第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1000-1050摄氏度、保温时间4h
经过上次实验的分析,这次对Fe3O4进行了三种处理:Fe3O4聚
集体小而分散、Fe3O4聚集体大而分散、Fe3O4聚集体大而密集分布。
A.硅片上连成片状的附着物 B.聚集Fe3O4被覆盖
C.较为分散的Fe3O4上长出的纳米线 D.比较紧密的Fe3O4上长出的纳米线
E.
从纳米线中长出纳米线
F.实心纳米线 G.空心纳米线
由上面的图中可以看出,在没有Fe3O4的硅片上还是有一层附
着物,在较大的Fe3O4聚集体上也有大量的覆盖物。但从C、D可以
看出有较多的纳米线穿出覆盖物生长。这些纳米线应该是在大量气体产生之前再Fe3O4聚集体上由气相沉积产生的,当这些聚集体被覆盖以后暴露在外面的纳米线会继续长大。
在这些纳米线中有较多的是像E图中的,线里长出了线,这种生长机制可以有两种解释:1.在最初有较细的纳米线生产,而在它生长的过程中它的表层从下到上会横向生长变粗,而其横向生长速度不及初始较细的纳米线生长速度快就会产生像E中第一副图中的纳米线。
2.最初纳米线在聚集体上容易浸润,所以最初的生长时均匀的,但是随着纳米线的长大,由于纳米线表层的温度梯度大,所以纳米线表层的生长速度会高于里层,随着表层的生长及冷却会将里层的线挤压出来,就像E中第二幅图展示的那样。
在F和G图中分别出现了实心和空心的纳米线,其解释和上面G
图中的解释相似,实心纳米线是以方式1但比较均衡的生长而形成
的,而空心纳米线则是以方式2但里层生长过慢并没有将其挤压出来而形成的。
从图从还可以看纳米管趋向于生长为多边形形态。
3.实验方案(B和B203的相对含量对纳米线生长的影响):
(1)B:B203:C=0.010:0.005:0.005(单位g);
(2)B:B203:C=0.015:0.005:0.005(单位g);
(3)B:B203:C=0.004:0.006:0.008(单位g);
(4)B:B203:C=0.010:0.002:0.005(单位g);
第一阶段:载流量:300sccm、升温速率:25摄氏度/min
保温温度:250摄氏度、保温时间35min
第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1000-1050摄氏度、保温时间4h
通过改变反应物的配比探究纳米线的生长结果。如上所示,进行了三种不同原料配比的实验,实验结果是在(1)、(3)中长出纳米线而(2)(4)中没有长出纳米线,由此可以看出当硼和三氧化二硼的比大于三时便没有纳米线的产生,而当其比较2相比较小时还可以长出纳米线而其下限还需进一步实验探究。
值得一提的是这次的实验结果纳米线都是实心的,而它们的生长
环境与实验方案2中的相同,所以这个问题还需要再进行实验研究。
4.实验方案(保温温度对纳米线生长的影响):
B:B203:C=0.010:0.005:0.005(单位g);
第一阶段:载流量:300sccm、升温速率:25摄氏度/min
保温温度:250摄氏度、保温时间35min
(1)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:800摄氏度、保温时间4h
(2)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1000摄氏度、保温时间4h
(3)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1050摄氏度、保温时间4h
(4)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1100摄氏度、保温时间4h
这次通过改变最终反应温度来探究温度对纳米线生长的影响。 实验结果为(3)、(4)有纳米线生成而(1)、(2)并无纳米线生成。说明纳米线的生成需要达到一定的温度条件。在1000度以下并无纳米线的生成,而温度也不能过高,温度过高会引起Fe3O4的氧化。
5.实验方案(升温速率对纳米线生长的影响):
B:B203:C=0.010:0.005:0.005(单位g);
第一阶段:载流量:300sccm、升温速率:25摄氏度/min
保温温度:250摄氏度、保温时间35min
(1)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:55摄氏度/min
保温温度:1050摄氏度、保温时间4h
(2)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:35摄氏度/min
保温温度:1050摄氏度、保温时间4h
(3)第二阶段:载流量:35sccm、升温速率:35摄氏度/min
保温温度:1050摄氏度、保温时间4h
在这次的方案中改变了升温速率,结果(1)中生长除了纳米线,但(2)(3)中并无纳米线。
升温速率过低使得固体气化过程比较缓慢且均衡,在一段时间内
会集中产生大量气态物质而导致纳米线在没生长到一定的高度时就
被大量的气态浸润包裹住。而升温速率过高产生的应影响还没有进行
试验探究。
总结,在这学期主要对影响硼纳米线制备的一些条件进行了探
究,已在上文叙述,而其中还有较多的问题和一些没有探究完全的因素条件,如:
实验中存在的问题:
1、石英舟重复使用,不能清洗干净,对实验中原料比重及纯度
产生影响;
2、原材料不能均匀混合影响反应程度及进程;
3、硅片太小容易和石英舟中的原材料接触;
4、石英管中的空气不能排除干净,易发生氧化反应;
5、四氧化三铁的沉积方法还需改进;
6、实验结果分析基于的试验样品太少,很容易出现误差问题。
遗留问题:
1、保温温度再细化分;
2、升温速率再细划分;
3、硼和三氧化二硼的配比再细划分;
4、升温速率在反应过程中的改变产生的影响;
5、保温时间对实验的影响;
6、如何生长出大量的纳米线(问什么有的四氧化三铁聚集体上 并无纳米线生长)。
注:由于纳米线较少,不能确定纳米线的成分,所以上述文章中都用纳米线而非硼纳米线。