中國粉體網(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,、化學穩(wěn)定性高,、強度高,、硬度高等一系列優(yōu)異的熱物性能，是一種優(yōu)良的高溫結構材料,。但是Si3N4也存在著抗機械沖擊強度低,，容易發(fā)生脆性斷裂的致命缺點,。假如固體所包含的顆粒達到納米級，或者其中添加的強化項是納米級,，那么Si3N4陶瓷的韌性將會大幅度增加,。
Si3N4納米線是Si3N4材料的一維納米結構形式,，其既具有塊體材料所擁有的各種優(yōu)異性能,，同時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穩(wěn)定性外,，還具有優(yōu)秀力學性能及優(yōu)異的光電性能。
力學特性
氮化硅納米線能夠進行近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570GPa,。
α-Si3N4納米線在（100）方向上的拉伸強度為51GPa,，β-Si3N4納米線在（100）方向上的拉升強度為57GPa,，維氏硬度分別達到了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度可以分別提升66.7%、58%,。
光電特性
氮化硅納米線作為半導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構轉(zhuǎn)變?yōu)榱酥苯幽軒ЫY構,，還可以通過摻雜產(chǎn)生中間帶，導致對陽光的吸收增強,。同時,，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能的收集,，其在太陽能轉(zhuǎn)換裝置中具有潛在應用價值,。研究人員利用原位透射電鏡測出了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，電導率表現(xiàn)出一個數(shù)量級的上升,，且反應相當靈敏；而在532nm的綠光照射下則沒有反應,。氮化硅納米線在高,、低電導率狀態(tài)之間的快速響應和恢復以及良好的可逆性，表明了其在光電探測器領域也存在應用的價值,。
將La摻入α-Si3N4納米線當中,，重摻的α-Si3N4納米線顯示出強烈的紫藍色可見光致發(fā)光，發(fā)光帶中心為388nm,，最大光致發(fā)光強度是未摻雜α-Si3N4納米線的5倍,，表現(xiàn)了氮化硅納米線在光學納米器件中的廣泛應用前景。
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獲得的，然而,，通過這種技術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構且形狀以控制的廉價材料作為模板，通過物理或化學方法將相關材料沉積到模板的納米孔隙結構中,，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構的一種方法,。通過控制模板的結構可以設計目標產(chǎn)物的形狀，所以模板法具有優(yōu)異的可控性,，是公認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,。使用該模板生長完成后除模較容易,，不會對產(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,，且長出的納米線大都是多晶結構。
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,，使其與氮氣或氨氣在非氧化氣氛中反應,，通過N元素向硅源粒子內(nèi)部的擴散，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,，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基底,，納米線為原位生長,。
碳熱還原法
碳熱還原法是使用硅的化合物或混合物與無機碳的混合物為原料，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中,，被引用于氮化硅納米線的合成也取得了不小的進展，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)勢點是可以在分子水平對前驅(qū)體進行設計從而獲得所需成分和結構的產(chǎn)物。在制備Si3N4納米線過程中,，可以實現(xiàn)在分子水平同時提供氣源,，較易達到氣體過飽和度從而促進納米材料的生長。
前驅(qū)體裂解法不僅可以通過前驅(qū)體的設計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,，從而獲得特殊結構和性能的Si3N4納米線。
寫在最后
氮化硅納米線因其優(yōu)異的力學和光電性能,，在納米復合材料,、太陽能電池及 光電子器件及等多個領域都具有廣泛的應用前景。
近年來,，各種形貌的一維納米氮化硅結構被相繼合成出來,，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力學條件決定的,。氮化硅納米線是最早制備出來的一維氮化硅納米結構,，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單、反應溫度低,、成本低,、對設備要求不高,，而且合成過程不需要生長基底，有望實現(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用研究》
5,、雷超等,，《LDH催化制備單晶α-Si3N4納米線研究》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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