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单晶α-Si3N4纳米线宏量制备研究
引用本文:雷超,魏飞.单晶α-Si3N4纳米线宏量制备研究[J].无机材料学报,2019,34(6):667-672.
作者姓名:雷超  魏飞
作者单位:广东省科学院 广东省材料与加工研究所, 广州 510650
清华大学 化工系, 绿色反应工程与工艺北京市重点实验室, 北京100084
基金项目:广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项(2018GDASCX-0964);广东省科学院科研平台环境与能力建设专项(2016GDASPT-0209);广东省科学院科研平台环境与能力建设专项(2016GDASPT-0321);广东省科学院院属骨干科研机构创新能力建设专项(2017GDASCX- 0117);广东省科学院院属骨干科研机构创新能力建设专项(22018GDASCX-0117);广州市科技计划项目(ZWY201704003);广东省材料与加工研究所创新能力建设项目(2017A070701029);广东省公益研究与能力建设专项(2017A070702019);广东省省级科技计划项目(2017A050503004)
摘    要:本研究提出了一种宏量制备单晶α-Si3N4纳米线的方法。以造粒硅粉为原料, 通过在N2-H2混合气氛中直接氮化, 得到具有核壳结构的氮化产物(Si3N4纳米线@多孔Si3N4微米粉体), 氮化产物经过破碎、研磨、分离后即可获得Si3N4纳米线。检测结果表明, 制备的Si3N4纳米线直径为80~150 nm, 长径比为20~50, 其中纳米线含量>95wt%, α相/β相比为17.6, 收率为3.1%。进一步研究表明, 原料中微量Fe元素在还原气氛下具有催化作用, 纳米线由典型的气-液-固(VLS)生长机制控制。实验中对原料硅粉造粒后再氮化具有三大优点: 数量级地增大了Si3N4纳米线生长空间; 纳米线生长分布集中, 有利于后续高效分离; 显著提高了氮化速率。

关 键 词:氮化硅  纳米线  直接氮化  造粒  VLS机制  
收稿时间:2018-08-31
修稿时间:2018-10-03

Mass Production of α-silicon Nitride Single-crystalline Nanowires
Chao LEI,Fei WEI.Mass Production of α-silicon Nitride Single-crystalline Nanowires[J].Journal of Inorganic Materials,2019,34(6):667-672.
Authors:Chao LEI  Fei WEI
Affiliation:Guangdong Institute of Materials and Processing, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou 510650, China
Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology, Department of Chemical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:α-silicon nitride single-crystalline nanowires were prepared by direct nitridation of granulation Si powders in N2-H2 mixture gas. The nitridation product has the core-shell structure (Si3N4 nanowires @porous Si3N4 powders), where Si3N4 nanowires can be effectively separated by crushing and grinding. The results show that the as-prepared α-Si3N4 nanowires are straight and uniform with diameters of 80-150 nm, length to diameter ratios of 20-50, purity higher than 95wt%, and yield of 3.1%. Further study indicates that growth of Si3N4 nanowires is controlled by the Vapor-Liquid-Solid (VLS) mechanism, where the trace Fe elements serves as catalyst in the reduction atmosphere. In this study, The process of the raw silicom powder granulation after nitriding shows three advantages: 1) remarkably increasing growth space of nanowires; 2) leading to concentrated distribution of nanowire, tacilitating subsequent separation; 3) remarkably increasing the nitridation rate.
Keywords:Si3N4  nanowires  direct nitridation  granulation  VLS mechanism  
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