中国粉体网讯 氮化硅(Si3N4)陶瓷具有良好的抗热冲击性、抗氧化性、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性高、强度高、硬度高等一系列优异的热物性能，是一种优良的高温结构材料。但是Si3N4也存在着抗机械冲击强度低，容易发生脆性断裂的致命缺点。假如固体所包含的颗粒达到纳米级，或者其中添加的强化项是纳米级，那么Si3N4陶瓷的韧性将会大幅度增加。
Si3N4纳米线是Si3N4材料的一维纳米结构形式，其既具有块体材料所拥有的各种优异性能，同时作为一维纳米材料而具备了许多新的特性。
氮化硅纳米线扫描图和宏观照片（图片来源：董顺，《准一维氮化硅纳米材料的制备与性能研究》）
氮化硅纳米线特性
氮化硅纳米线除了和氮化硅粉体一样拥有良好的耐高温性和化学稳定性外，还具有优秀力学性能及优异的光电性能。
力学特性
氮化硅纳米线能够进行近100°的弯曲，相较于块体氮化硅，纳米线形态具有极大的柔韧性，其弯曲模量能够高达570GPa。
α-Si3N4纳米线在（100）方向上的拉伸强度为51GPa，β-Si3N4纳米线在（100）方向上的拉升强度为57GPa，维氏硬度分别达到了23.0GPa和20.4GPa。
将氮化硅纳米线引入碳纤维毡中，其压缩性能和层间剪切强度可以分别提升66.7%、58%。
光电特性
氮化硅纳米线作为半导体材料具有光照下能产生光电流的基本性能。纳米线的形态使得氮化硅的间接能带结构转变为了直接能带结构，还可以通过掺杂产生中间带，导致对阳光的吸收增强。同时，共掺杂能使氮化硅纳米线带有铁磁性，可以提高载流子的迁移率。这些性质说明了氮化硅纳米线可以被用于太阳能的收集，其在太阳能转换装置中具有潜在应用价值。研究人员利用原位透射电镜测出了α-Si3N4纳米线的电阻为7.2×10-2Ω·cm，其V-I特性曲线如下图所示，具有典型的半导体伏安曲线特征。
α-Si3N4纳米线的V-I特性曲线（图片来源：黄羿，《利用回收硅锯屑粉高温氮化制备Si3N4纳米线研究》）
在对不同光照条件下α-Si3N4纳米线的伏安特性的研究中，发现其在254nm的紫外光照射下，电导率表现出一个数量级的上升，且反应相当灵敏；而在532nm的绿光照射下则没有反应。氮化硅纳米线在高、低电导率状态之间的快速响应和恢复以及良好的可逆性，表明了其在光电探测器领域也存在应用的价值。
将La掺入α-Si3N4纳米线当中，重掺的α-Si3N4纳米线显示出强烈的紫蓝色可见光致发光，发光带中心为388nm，最大光致发光强度是未掺杂α-Si3N4纳米线的5倍，表现了氮化硅纳米线在光学纳米器件中的广泛应用前景。
氮化硅纳米线制备
最早的纳米线的制备方法是通过照相平板蚀刻技术获得的，然而，通过这种技术所获得的纳米线的产量十分小，过程也繁琐。直到十九世纪末期，纳米线才可以通过激光烧蚀法被大量地制备。目前，制备Si3N4纳米线的方法较多，但常用的有模板法、直接氮化法、碳热还原法、前驱体裂解法等。
模板法
模板法是将具有纳米结构且形状以控制的廉价材料作为模板，通过物理或化学方法将相关材料沉积到模板的纳米孔隙结构中，然后移除模板来得到具有模板规范形貌和尺寸的纳米结构的一种方法。通过控制模板的结构可以设计目标产物的形状，所以模板法具有优异的可控性，是公认合成纳米材料及纳米阵列最理想的方法之一。
常见的模板有多孔氧化铝、碳纳米管、硅纳米线等。其中碳纳米管在高温下不仅起到模具的作用，而且还起到了还原剂的作用。使用该模板生长完成后除模较容易，不会对产物造成太大伤害。虽然使用碳纳米管为模板制备氮化硅纳米线是可行的，但碳纳米管本身的规模化制备还不成熟，成本较高，且长出的纳米线大都是多晶结构。
直接氮化法
直接氮化法一般以纯净的硅粉或二氧化硅为原料，使其与氮气或氨气在非氧化气氛中反应，通过N元素向硅源粒子内部的扩散，来合成氮化硅纳米线。
直接氮化法一般发生的是固液反应，此方法可以在低温下制备Si3N4纳米线，从而使生产成本低，而且合成过程不需要生长基底，纳米线为原位生长。
碳热还原法
碳热还原法是使用硅的化合物或混合物与无机碳的混合物为原料，在N2或NH3的氛围中于高温下发生还原反应所生成氮化硅纳米线的方法。
碳热还原法最早是用于金属氧化物的还原合成当中，被引用于氮化硅纳米线的合成也取得了不小的进展，但是其合成的氮化硅纳米线直径大小不一，尺寸差异较大，并且难以控制。
前驱体裂解法
前驱体裂解法是由前驱体转化法演变而来，主要过程是通过引入前驱体后高温裂解获得所需的产物。该方法最主要的优势点是可以在分子水平对前驱体进行设计从而获得所需成分和结构的产物。在制备Si3N4纳米线过程中，可以实现在分子水平同时提供气源，较易达到气体过饱和度从而促进纳米材料的生长。
前驱体裂解法不仅可以通过前驱体的设计以获得最佳分子比例的含Si、C、N等气体，制备出高产量和超长Si3N4纳米线，还可以通过分子层面上的纳米材料掺杂，从而获得特殊结构和性能的Si3N4纳米线。
写在最后
氮化硅纳米线因其优异的力学和光电性能，在纳米复合材料、太阳能电池及 光电子器件及等多个领域都具有广泛的应用前景。
近年来，各种形貌的一维纳米氮化硅结构被相继合成出来，包括氮化硅纳米线，氮化硅纳米带，氮化硅纳米棒，氮化硅纳米晶须及氮化硅纳米管等。这些不同的形貌是由合成过程中不同的动力学条件决定的。氮化硅纳米线是最早制备出来的一维氮化硅纳米结构，其制备方法和手段非常多，但普遍存在成本较高、产物尺寸难控制的问题。直接氮化法因工艺简单、反应温度低、成本低、对设备要求不高，而且合成过程不需要生长基底，有望实现大规模生产。
参考资料：
1、雷超等，《LDH催化制备单晶α-Si3N4纳米线研究》
2、黄羿，《利用回收硅锯屑粉高温氮化制备Si3N4纳米线研究》
3、董顺，《准一维氮化硅纳米材料的制备与性能研究》
4、崔杰，《碳热还原氮化法制备氮化硅纤维及其在多孔陶瓷中的应用研究》
5、雷超等，《LDH催化制备单晶α-Si3N4纳米线研究》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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