导　　师： 汪炜

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 南京航空航天大学

摘　　要： 纳米粒子是指粒度在1~100 nm之间的粒子，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等奇异的物理化学特性。硅作为地球上储量丰富的元素之一，其纳米颗粒在能源、生物医疗、信息等领域具有重要的工程应用价值。然而，现阶段纳米硅颗粒的制备方法，如：溶胶-凝胶法、热分解法、激光烧蚀等，均存在成本高、产率低等不足，难以大规模工业化应用。<br>　　本文提出了一种脉冲放电高效制备纳米硅颗粒的方法。在脉冲放电过程中，极间产生的瞬时温度高达上万度，可以使材料气化，从而以原子或者小团簇的形式离开原材料，使纳米硅颗粒的制备成为可能。然而，在此过程中，材料的去除中气化比例低，大部分仍以熔化去除为主，尚不能实现纳米硅颗粒的高效制备。为实现纳米硅颗粒的高效制备，本课题采用分子动力学方法模拟纳米硅颗粒形成过程，揭示了高产率、高尺寸集中度纳米硅颗粒的脉冲放电制备机理。研究了工作介质种类、形态和工艺参数等对纳米硅颗粒产率的影响规律,并实现了30 nm纳米硅颗粒的高效制备。在此基础上，以重掺杂硼硅锭为原料，利用脉冲放电法制备纳米硅颗粒,并对其进行硼含量测试。测试结果表明，纳米硅颗粒中硼含量与重掺杂硼硅锭中的相比处于相同的数量级，从而得到了一种制备硼源的新方法。并对其在太阳能电池硅片局域扩散上的应用进行了可行性研究。此外，为提高牙科氧化锆陶瓷与医用粘结剂的结合强度，提出了一种新的制备纳米硅包覆三氧化二铝磨料的工艺方法，将脉冲放电制备的纳米硅颗粒与三氧化二铝磨料共烧，实现了纳米硅颗粒对三氧化二铝的均匀稳定包覆。以其为原料，利用摩擦化学法对氧化锆陶瓷表面处理，并对处理后的氧化锆陶瓷与医用粘结剂的结合强度进行了测试。<br>　　本文的主要研究工作可分为以下及部分：<br>　　(1)利用分子动力学仿真从原子运动的角度出发，分析材料在高温气化后离开原材料的微观过程及纳米硅颗粒形成的影响因素。从仿真结果可以看出，当材料被气化后，以原子或者小团簇的形式离开工件；在气化材料形成纳米颗粒的过程中，冷却速度和原子分布密度对最终的纳米颗粒形成具有重要影响。进一步通过分析和仿真发现，气化是由脉冲放电过程中的功率密度决定的，而功率密度取决于放电维持电流和放电维持时间（放电脉宽），即通过增大放电维持电流和减小放电维持时间，能有效提高气化比例和气化量。<br>　　(2)通过对不同形式的脉冲放电产物进行深入的分析，发现工作介质对纳米颗粒的形成有非常重要的影响。以煤油作为工作介质时，产物中并没有发现纳米颗粒；而以去离子水为工作介质时，产物中有大量纳米硅颗粒的出现。同时发现增加对极间冲刷作用能提高纳米颗粒的产量。<br>　　(3)为进一步提高纳米硅颗粒的产率，实现纳米硅颗粒的高效制备，本章提出了一种新的脉冲放电制备纳米硅颗粒的方法。在此基础上，构建了新的试验系统。以重掺杂硼硅锭为原料，去离子水为工作介质，采用单根管状铜电极和高速冲液技术，通过选择合适的放电参数，实现纳米硅颗粒的高效制备。经分离和提纯后，对制备的纳米硅颗粒的微观形貌、元素组成和产率等进行了测试和分析。测试结果表明，制备的纳米硅颗粒为晶态纳米颗粒，尺寸为30 nm左右，利用单台试验设备制备纳米硅颗粒时的产率约为5g/h。<br>　　(4)以重掺杂硼硅锭为原材料，利用脉冲放电的方式在去离子水中制备了纳米硅颗粒，并对此纳米硅颗粒中的硼含量进行了测试，测试结果表明其为重掺杂纳米硅颗粒，且掺杂元素的含量与源材料相近，利用此特性，将其应用于太阳能电池硅片中的局域扩散，经测试，掺杂区域的方阻从100Ω/□下降到30Ω/□。<br>　　(5)为提高牙科氧化锆陶瓷的结合力,以脉冲放电制备的纳米硅颗粒为原材料，制备了纳米硅包覆三氧化二铝磨粒。在此基础上，以其为原料，利用摩擦化学法，对氧化锆陶瓷进行了表面处理。通过测试发现，处理后的氧化锆陶瓷表面均匀镶嵌了含氧化层的纳米硅颗粒。同时对处理后的氧化锆与树脂的结合力进行了测试，测试结果表明，其结合强度为12 MPa,此结合力与当前商用产品相当。

关 键 词： 纳米硅颗粒 脉冲放电 分子动力学 工艺参数

分 类 号： [TB383]

领　　域： [一般工业技术]