氮化硅與其他納米材料相比具有高強度、耐高溫、抗氧化、帶隙寬等諸多優良性能,因獨特的微觀形貌而具有優異的物理和化學性質,因此被廣泛用作寬帶隙半導體材料,并已成為常溫和高溫下納米器件的替代材料。
制備方法
1、模板法
該方法以規則的納米線、納米孔、納米管等規則結構為模板,通過填充、覆蓋或替代反應等方式在模板中沉積各種陣列納米結構,從而得到相應的一維納米材料。有研究者利用規則的碳納米管作為限制模板,制備出了氮化硅納米線結構。
2、熱蒸發法
蒸發加熱材料中的催化劑以形成液態,液相在加熱過程中吸收周圍的原材料氣體,當達到過飽和狀態時會有相應的晶體析出生長成為納米線。有研究者將二氧化硅、石墨和催化劑加熱到1200-1400°C時分別制備出了β-氮化硅和α-氮化硅晶須。α相晶須結構表面粗糙,晶體內部含有大量的缺陷結構,而β相晶須結構表面較光滑,晶體結晶較為完善。
3、前驅體轉化法
前驅體轉化法是較為成熟的制備氮化硅纖維的方法,其先制備出聚硅氮烷、聚硅碳烷、全氫聚硅氮烷等前驅體,再將前驅體熔融紡絲后經高溫氮化獲得連續的氮化硅纖維。該方法制備的氮化硅纖維成本較高,限制了其在工業領域的應用。
4、化學氣相沉積
化學氣相沉積是用高溫加熱材料使其生成另外的物質,然后沉積在襯底上。有研究者以硅粉為原料,將石墨在硝酸鎳溶液中浸泡后作為基底,在氮氣條件下加熱到1450°C處理3小時,降到室溫后可在基板上得到大量的氮化硅納米帶,在沒有催化劑的基板上可以得到氮化硅納米線結構。
5、熱處理干凝膠法
熱處理干凝膠法先制備出二氧化硅的干凝膠作為基體,向其中加入金屬類催化劑,用氮氣作為保護氣體時可制備出氮化硅納米線。有研究者使用金屬類納米顆粒作催化劑,在硅襯底上和氨氣條件下直接氮化制備得到氮化硅納米線。因為金屬類納米顆粒的加入,高溫下容易發生熔融變成液相,從而更容易形成氮化硅晶型。
應用領域
1、半導體納米器件
氮化硅纖維因形貌的特殊性具有和其他半導體材料不同的性質,如熔點較低、熱導率較低等,這些優越的性質使其在半導體納米器件以及復合材料等領域都有較好的應用。
2、保溫隔熱領材料
氮化硅纖維材料兼具氮化硅陶瓷和纖維材料的特點,不僅具有優良的抗侵蝕性、抗熱震性和透波性,且具有較低的熱導率,在鋁電解槽、微波燒結爐等某些特殊裝備的保溫隔熱領域有著廣泛的應用前景。
3、高性能陶瓷基復合材料
氮化硅纖維具有類似于碳化硅纖維的力學性能,耐化學腐蝕和耐高溫性能好,是高性能陶瓷基復合材料的增強纖維之一。該材料是未來航天航空、汽車發動機等耐高溫部件最有希望的候選材料,有著廣泛的應用前景。
隨著氮化硅纖維研究的不斷開展,越來越多的優越性能被發現,有研究者根據氮化物納米線的形成原理,完成了在較寬頻率下的納米線發射激光的研究。
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