中國(guó)粉體網(wǎng)訊 氮化硅(Si3N4)陶瓷具有良好的抗熱沖擊性、抗氧化性、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性高、強(qiáng)度高、硬度高等一系列優(yōu)異的熱物性能，是一種優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料。但是Si3N4也存在著抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度低，容易發(fā)生脆性斷裂的致命缺點(diǎn)。假如固體所包含的顆粒達(dá)到納米級(jí)，或者其中添加的強(qiáng)化項(xiàng)是納米級(jí)，那么Si3N4陶瓷的韌性將會(huì)大幅度增加。
Si3N4納米線是Si3N4材料的一維納米結(jié)構(gòu)形式，其既具有塊體材料所擁有的各種優(yōu)異性能，同時(shí)作為一維納米材料而具備了許多新的特性。
氮化硅納米線掃描圖和宏觀照片（圖片來源：董順，《準(zhǔn)一維氮化硅納米材料的制備與性能研究》）
氮化硅納米線特性
氮化硅納米線除了和氮化硅粉體一樣擁有良好的耐高溫性和化學(xué)穩(wěn)定性外，還具有優(yōu)秀力學(xué)性能及優(yōu)異的光電性能。
力學(xué)特性
氮化硅納米線能夠進(jìn)行近100°的彎曲，相較于塊體氮化硅，納米線形態(tài)具有極大的柔韌性，其彎曲模量能夠高達(dá)570GPa。
α-Si3N4納米線在（100）方向上的拉伸強(qiáng)度為51GPa，β-Si3N4納米線在（100）方向上的拉升強(qiáng)度為57GPa，維氏硬度分別達(dá)到了23.0GPa和20.4GPa。
將氮化硅納米線引入碳纖維氈中，其壓縮性能和層間剪切強(qiáng)度可以分別提升66.7%、58%。
光電特性
氮化硅納米線作為半導(dǎo)體材料具有光照下能產(chǎn)生光電流的基本性能。納米線的形態(tài)使得氮化硅的間接能帶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥苯幽軒ЫY(jié)構(gòu)，還可以通過摻雜產(chǎn)生中間帶，導(dǎo)致對(duì)陽(yáng)光的吸收增強(qiáng)。同時(shí)，共摻雜能使氮化硅納米線帶有鐵磁性，可以提高載流子的遷移率。這些性質(zhì)說明了氮化硅納米線可以被用于太陽(yáng)能的收集，其在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換裝置中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。研究人員利用原位透射電鏡測(cè)出了α-Si3N4納米線的電阻為7.2×10-2Ω·cm，其V-I特性曲線如下圖所示，具有典型的半導(dǎo)體伏安曲線特征。
α-Si3N4納米線的V-I特性曲線（圖片來源：黃羿，《利用回收硅鋸屑粉高溫氮化制備Si3N4納米線研究》）
在對(duì)不同光照條件下α-Si3N4納米線的伏安特性的研究中，發(fā)現(xiàn)其在254nm的紫外光照射下，電導(dǎo)率表現(xiàn)出一個(gè)數(shù)量級(jí)的上升，且反應(yīng)相當(dāng)靈敏；而在532nm的綠光照射下則沒有反應(yīng)。氮化硅納米線在高、低電導(dǎo)率狀態(tài)之間的快速響應(yīng)和恢復(fù)以及良好的可逆性，表明了其在光電探測(cè)器領(lǐng)域也存在應(yīng)用的價(jià)值。
將La摻入α-Si3N4納米線當(dāng)中，重?fù)降摩?Si3N4納米線顯示出強(qiáng)烈的紫藍(lán)色可見光致發(fā)光，發(fā)光帶中心為388nm，最大光致發(fā)光強(qiáng)度是未摻雜α-Si3N4納米線的5倍，表現(xiàn)了氮化硅納米線在光學(xué)納米器件中的廣泛應(yīng)用前景。
氮化硅納米線制備
最早的納米線的制備方法是通過照相平板蝕刻技術(shù)獲得的，然而，通過這種技術(shù)所獲得的納米線的產(chǎn)量十分小，過程也繁瑣。直到十九世紀(jì)末期，納米線才可以通過激光燒蝕法被大量地制備。目前，制備Si3N4納米線的方法較多，但常用的有模板法、直接氮化法、碳熱還原法、前驅(qū)體裂解法等。
模板法
模板法是將具有納米結(jié)構(gòu)且形狀以控制的廉價(jià)材料作為模板，通過物理或化學(xué)方法將相關(guān)材料沉積到模板的納米孔隙結(jié)構(gòu)中，然后移除模板來得到具有模板規(guī)范形貌和尺寸的納米結(jié)構(gòu)的一種方法。通過控制模板的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)物的形狀，所以模板法具有優(yōu)異的可控性，是公認(rèn)合成納米材料及納米陣列最理想的方法之一。
常見的模板有多孔氧化鋁、碳納米管、硅納米線等。其中碳納米管在高溫下不僅起到模具的作用，而且還起到了還原劑的作用。使用該模板生長(zhǎng)完成后除模較容易，不會(huì)對(duì)產(chǎn)物造成太大傷害。雖然使用碳納米管為模板制備氮化硅納米線是可行的，但碳納米管本身的規(guī)�；苽溥�不成熟，成本較高，且長(zhǎng)出的納米線大都是多晶結(jié)構(gòu)。
直接氮化法
直接氮化法一般以純凈的硅粉或二氧化硅為原料，使其與氮?dú)饣虬睔庠诜茄趸瘹夥罩蟹磻?yīng)，通過N元素向硅源粒子內(nèi)部的擴(kuò)散，來合成氮化硅納米線。
直接氮化法一般發(fā)生的是固液反應(yīng)，此方法可以在低溫下制備Si3N4納米線，從而使生產(chǎn)成本低，而且合成過程不需要生長(zhǎng)基底，納米線為原位生長(zhǎng)。
碳熱還原法
碳熱還原法是使用硅的化合物或混合物與無(wú)機(jī)碳的混合物為原料，在N2或NH3的氛圍中于高溫下發(fā)生還原反應(yīng)所生成氮化硅納米線的方法。
碳熱還原法最早是用于金屬氧化物的還原合成當(dāng)中，被引用于氮化硅納米線的合成也取得了不小的進(jìn)展，但是其合成的氮化硅納米線直徑大小不一，尺寸差異較大，并且難以控制。
前驅(qū)體裂解法
前驅(qū)體裂解法是由前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法演變而來，主要過程是通過引入前驅(qū)體后高溫裂解獲得所需的產(chǎn)物。該方法最主要的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)是可以在分子水平對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行設(shè)計(jì)從而獲得所需成分和結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物。在制備Si3N4納米線過程中，可以實(shí)現(xiàn)在分子水平同時(shí)提供氣源，較易達(dá)到氣體過飽和度從而促進(jìn)納米材料的生長(zhǎng)。
前驅(qū)體裂解法不僅可以通過前驅(qū)體的設(shè)計(jì)以獲得最佳分子比例的含Si、C、N等氣體，制備出高產(chǎn)量和超長(zhǎng)Si3N4納米線，還可以通過分子層面上的納米材料摻雜，從而獲得特殊結(jié)構(gòu)和性能的Si3N4納米線。
寫在最后
氮化硅納米線因其優(yōu)異的力學(xué)和光電性能，在納米復(fù)合材料、太陽(yáng)能電池及 光電子器件及等多個(gè)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。
近年來，各種形貌的一維納米氮化硅結(jié)構(gòu)被相繼合成出來，包括氮化硅納米線，氮化硅納米帶，氮化硅納米棒，氮化硅納米晶須及氮化硅納米管等。這些不同的形貌是由合成過程中不同的動(dòng)力學(xué)條件決定的。氮化硅納米線是最早制備出來的一維氮化硅納米結(jié)構(gòu)，其制備方法和手段非常多，但普遍存在成本較高、產(chǎn)物尺寸難控制的問題。直接氮化法因工藝簡(jiǎn)單、反應(yīng)溫度低、成本低、對(duì)設(shè)備要求不高，而且合成過程不需要生長(zhǎng)基底，有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
參考資料：
1、雷超等，《LDH催化制備單晶α-Si3N4納米線研究》
2、黃羿，《利用回收硅鋸屑粉高溫氮化制備Si3N4納米線研究》
3、董順，《準(zhǔn)一維氮化硅納米材料的制備與性能研究》
4、崔杰，《碳熱還原氮化法制備氮化硅纖維及其在多孔陶瓷中的應(yīng)用研究》
5、雷超等，《LDH催化制備單晶α-Si3N4納米線研究》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）
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