[发明专利]一种β-氮化硅纳米线的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氮化硅纳米材料制备领域，特别涉及一种β-氮化硅纳米线的制备方法。

背景技术

氮化硅(Si₃N₄)是一种性能优良的无机材料，能够在高温下保持高强度、高耐磨性以及具有良好的抗热震性能、抗蠕变性能、低膨胀系数和优异的抗腐蚀性等特点；氮化硅还是一种宽禁带的半导体材料，可以获得较高的掺杂浓度，是制备高温纳米装置的理想材料，在微电子和光电子领域具有非常好的应用前景。一维纳米材料由于其具有优异的性能备受关注，一维纳米材料包括纳米线、纳米管、纳米棒、同轴纳米电缆、纳米带等。一维的氮化硅纳米材料与块体氮化硅相比具有更优越的性能。

氮化硅有两种常见的晶型：即低温相α-Si₃N₄和稳定的六方相β-Si₃N₄。相对于α-Si₃N₄在高温下容易发生相转变而言，β-Si₃N₄在高温下拥有更好的热力学稳定性[J.Phys.Chem.B，2007，111：3609-3613]。日本的Kiyoshi Hirao等以α-Si₃N₄为原料，Y₂O₃和SiO₂作为生长助剂，在1850℃、0.5MPa的氮气气氛下保温2小时得到β-Si₃N₄晶须[J.Ceram.Soc.Japan，1993，101：1078-1080]。HongChen等采用Si粉和β-Si₃N₄粉末为原料，NH₄F和Al为生长助剂，在1900℃、10MPa的氮气气氛下进行燃烧合成5min，得到β-Si₃N₄纳米纤维[J.Alloys Compd.，2001，325：L1-L3]。Irene G.Cano等人报导了以Si、Si₃N₄、NH₄Cl等为初始原料，在3700℃、17MPa的氮气气氛下通过自蔓延高温合成反应制备β-Si₃N₄纳米纤维[Scripta.Mater.，2004，50：383-386]。这些制备工艺都需要一些特殊的实验条件(高压氮气，催化添加剂以及较高的热转化温度)，制备工艺较复杂。因此探索工艺简单、生成温度较低的β-Si₃N₄纳米纤维制备方法，对于提升氮化硅的性能及拓宽其应用都具有重要的意义。

发明内容

本发明针对现有技术的上述问题，提供一种β-Si₃N₄纳米线的制备方法

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种β-氮化硅纳米线的制备方法，按下述步骤制得：

(1)按照摩尔比1∶2∶10∶0.01的量称取间苯二酚、甲醛、去离子水和碳酸钠，搅拌均匀后得间苯二酚-甲醛溶胶；

(2)按照摩尔比1∶4∶1∶7.8×10^-4的量将正硅酸乙酯、乙醇、去离子水和盐酸(0.1mol/L)混合均匀，在40℃下搅拌2小时后让溶液冷却至室温，继续按比例加入1mol/L的氨水和去离子水，其中正硅酸乙酯、氨水和此部分去离子水的摩尔比为1∶5.7×10^-3∶3。在室温下搅拌10min后，形成二氧化硅溶胶；

(3)将间苯二酚-甲醛溶胶和二氧化硅溶胶按照质量比为1∶2.1～6.3的量混合搅拌均匀后注入安瓿瓶中，封口，在85℃水浴中反应3天，形成黑红色的透明湿凝胶。将该湿凝胶在超临界石油醚中干燥120分钟，制得间苯二酚-甲醛/二氧化硅复合气凝胶；

(4)将间苯二酚-甲醛/二氧化硅复合气凝胶，在氮气气氛下逐步升温至1400℃～1500℃，保温1～5小时，得到未提纯的样品；

(5)将步骤四所得样品在600℃空气气氛中灼烧以除去碳，然后用体积比为3∶1氢氟酸(40％)和浓硝酸(65％)混合液处理，除去二氧化硅，最后用去离子水清洗至PH为中性，烘干，制得提纯的β-氮化硅纳米线。