[发明专利]一种制备Si3N4纳米线的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备Si₃N₄纳米线的方法。

背景技术

氮化硅作为高温材料具有特殊的优点，在高温下仍保持高的机械强度，具有耐热冲击、耐腐蚀、热膨胀系数小、化学稳定性高、电绝缘性好及中等热传导性等优良性能。而且氮化硅是一种宽禁带半导体材料，禁带宽度达5.3eV，可以通过适当掺杂引入杂质能级提高半导体性能，可用于制造量子阱。一维氮化硅纳米材料在机械、化学及高温核辐射环境下的微电子和光学方面具有广泛应用前景，值得深入研究。氮化硅的折射率比较大，对光有较强的约束作用从而具有较好的光导性。

传统氮化硅由大颗粒、多相粉体烧结制成，因而脆性大，均匀性差，可靠性低，韧性和强度很差，在应用上受到了较大的限制。利用纳米技术开发的纳米氮化硅陶瓷材料的显微结构中，晶粒晶界及它们之间的结合尺寸都处在纳米水平（1～100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。纳米氮化硅具有以下的特性：极小的粒径，很大的比表面积和较高的化学性能，可以显著提高氮化硅的烧结致密化程度，降低烧结温度，节约能源；使氮化硅的组成结构均匀化，改善材料的性能，提高其使用可靠性；可以从纳米材料的结构层次上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。另外，由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能，如果粉料的颗粒堆积均匀，烧制收缩一致且晶粒均匀长大，颗粒越小时所产生的微观缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越高，这样就能有效地克服脆性，提高柔韧性和可加工性能。

纳米氮化硅具有两种晶型：亚稳的低温相六方α-Si₃N₄和稳定的高温相六方β-Si₃N₄。氮化硅是一种宽带隙（5.3eV）半导体材料，其带隙中间能级可以通过掺杂而调整以满足不同电学/光学性质的要求。此外，纳米材料的表面效应和量子尺寸效应还导致氮化硅粉体红外吸收光谱和拉曼光谱的蓝移和/宽化现象。

氮化硅由于具有如此优异的物理化学性能，近几十年特别是近二十年来，引起了世界各国科学家和工程师对其制备方法的不懈探索。然而，受制备和加工方法的限制，氮化硅陶瓷的全面使用显然受到了很大的限制。鉴于此，世界各国都在努力寻求经济的合成方法，这些工作主要包括硅粉直接氮化法、碳热还原法、卤化硅氨解法、制备前驱体法、化学复分解法、原位合成法、硅合金氨解法等（这是按照合成所用原料的不同来划分的），现分别介绍如下：

1、硅粉直接氮化法：主要是指纯净硅粉在氮气、氨气的还原性气氛中发生反应，生成氮化硅微粉。

2、碳热还原法：是指二氧化硅和碳的粉末在高温下的氮气气氛中发生氮化和还原反应，生成微粉Si₃N₄。

3、卤化硅氨解法：硅的卤化物或硅的氢卤化物与氨气或者氮气发生化学气相反应生成氮化硅。

4、制备前驱体等其它方法：制备前驱体法是指先由氮源和硅源反应生成一种比较容易分解的前驱体，再由前驱体在比较温和的条件下分解产生氮化硅微粉。

国际上研发制备氮化硅粉末的代表性工作是美国Dow Chem.Co.(陶式化学)开发的SiO₂碳热还原氮化法和国际上普遍采用的硅粉直接氮化法。国际上大的生产厂家有starck(德)，AME(英)和日本电工等厂商。两种工艺都需要很长的氮化时间，一般为每周期72h。所制备的氮化硅粉末价格也较高。近年来。国内许多单位开发的制备纳米氮化硅粉末的等离子体法由于产品价格和产量规模的原因,。尚不具备形成较大产业的可能性。为了降低成本，减少反应时间就显得非常重要，因为这对于产业化是非常重要的。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供了一种新采用磁控溅射及热蒸发法制备氮化硅纳米线的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种制备Si₃N₄纳米线的方法，步骤如下：

（1）制备溅有Pt薄膜的硅衬底：使用磁控溅射仪在硅片上制备厚度为10～50nm的Pt薄膜；