中國粉體網訊  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、化學穩定性高、強度高、硬度高等一系列優異的熱物性能，是一種優良的高溫結構材料。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定性外，還具有優秀力學性能及優異的光電性能。

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生光電流的基本性能。納米線的形態使得氮化硅的間接能帶結構轉變為了直接能帶結構，還可以通過摻雜產生中間帶，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，發現其在254nm的紫外光照射下，電導率表現出一個數量級的上升，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光，發光帶中心為388nm，最大光致發光強度是未摻雜α-Si₃N₄納米線的5倍，表現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物的形狀，所以模板法具有優異的可控性，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模化制備還不成熟，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元素向硅源粒子內部的擴散，來合成氮化硅納米線。

直接氮化法一般發生的是固液反應，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。

前驅體裂解法

前驅體裂解法是由前驅體轉化法演變而來，主要過程是通過引入前驅體后高溫裂解獲得所需的產物。該方法最主要的優勢點是可以在分子水平對前驅體進行設計從而獲得所需成分和結構的產物。在制備Si₃N₄納米線過程中，可以實現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。

前驅體裂解法不僅可以通過前驅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，有望實現大規模生產。

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》

（中國粉體網編輯整理/長安）

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