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(lái)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(guò)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(shuō)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(lái)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(méi)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(jiàn)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(guò)照相平板蝕刻技術(shù)獲得的，然而,，通過(guò)這種技術(shù)所獲得的納米線的產(chǎn)量十分小,，過(guò)程也繁瑣。直到十九世紀(jì)末期,，納米線才可以通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiàn)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(guò)N元素向硅源粒子內(nèi)部的擴(kuò)散,，來(lái)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(guò)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(lái)，主要過(guò)程是通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(xiě)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(lái)，各種形貌的一維納米氮化硅結(jié)構(gòu)被相繼合成出來(lái),，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(guò)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(lái)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(wèn)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(guò)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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