本文采用一種簡單的熱蒸法制備氮化硅納米線。樣品經XRD、SEM、TEM 和Raman 分析，結果表明制備的氮化硅納米線具有單晶α 結構，且具有均勻的直徑，可以作為增強型復合材料廣泛的應用于納米器件的制備。

1. 前言

　　氮化硅作為高溫材料具有特殊的優點。在高溫下仍保持高的機械強度，耐熱沖擊和耐腐蝕，熱膨脹系數小，化學穩定性高，電絕緣性好及中等熱傳導性等優良性能。而且氮化硅是一種寬禁帶半導體材料，禁帶寬度達5.3eV 可以通過適當摻雜引入雜質能級提高半導體性能，與Ⅲ-N 化合物相類似可用于制造量子阱。一維氮化硅納米材料在機械、化學及高溫核輻射環境下的微電子和光學方面具有廣泛應用前景，值得深入研究。氮化硅的折射率比較大，對光有較強的約束作用從而具有較好的光導性。

　　目前制備氮化硅納米材料的制備有多種方法，如納米管限域法、基于氣-液-固(VLS)生長機制的合成方法、化學氣相外延、氣-固(VS)生長法[5-10]等。本文中，我們采用熱蒸發法制備氮化硅納米線，對其形成機理進行了初步研究。

2.實驗過程

　　實驗中采用高溫管式爐系統，如圖1.1 所示。以一氧化硅與活性炭粉末按1：1（質量比）比例混合研磨，把研磨后的粉末均勻的置于陶瓷舟內，使用清潔過的硅基底覆蓋在陶瓷舟上方。將陶瓷舟置于管式爐的加熱區（爐管中Ⅰ區）。打開氣路上所有的閥門，將管道和爐管中的空氣排出。通過流量計控制氮氣的流量為200sccm，設定加熱區的溫度為1300℃，加熱2 小時。產物在載氣的保護下冷卻到室溫，整個制備過程在常壓下完成�；野咨�的樣品沉積在源舟內壁上。

　　將產物經SEM 觀察其形貌，使用EDS 分析產物化學成分。用小刀輕刮樣品表面，將刮下來的物質在無水乙醇中超聲分散5分鐘。將所得溶液滴在有碳膜的銅網上用TEM 觀察樣品的微觀形貌和結構。激發光為Nd:YAG 激光器，激發波長為1064nm的德國Bruker公司RFS100/S 傅立葉拉曼光譜儀表征產物的結構性質。

3.實驗結果與討論

　　圖2是一氧化硅與活性炭粉混合物常壓高溫（1300℃）熱蒸發得到的樣品掃描電子顯微鏡照片。圖2a是制備產物的低倍掃描電子顯微鏡照片，由圖2a 可觀察到在源舟中得到了直徑在幾十納米-幾百納米之間的線，絕大部分直徑在分布在100 納米左右，且這些線的長度達到幾百微米。圖2b是相對應區域的高倍掃描電子顯微鏡照片。由照片可以看到，這些線狀結構表面光滑無吸附顆粒，且直徑分布均勻。X 射線能量分散譜分析線狀結構由氮和硅兩種元素組成，如圖2b插圖所示。通過計算Si 和N 的原子含量分別為31%、69%，因此可斷定所得的線狀物質為氮化硅。

　　為了進一步確定氮化硅納米線的物相組成，對樣品進行了XRD 分析，分析結果如圖3所示。經過標定分析可知，圖中所有的標示為α-Si3N4 的衍射峰均與標準圖譜（JCPDS，41-1408）一致，為六方結構，晶格常數為a=7.739Å,c=5.6024Å。XRD 圖譜也顯示了，樣品的純度較高。

　　如果納米線直徑太粗，電子束無法穿透，因此我們選取了樣品中較細的線進行了透射電子顯微鏡及選區電子衍射分析的結果如圖4所示。圖4a是氮化硅納米線的低倍透射電子顯微鏡照片，從圖中可判斷出有大量的氮化硅納米線生成，氮化硅納米線的直徑均勻分布在30納米，長度達到幾微米，且線的表面光滑無吸附的顆粒存在。X射線能量分散譜分析產物由氮、硅和銅三種元素構成，Cu來自銅網，如圖4 a中插圖所示。圖4b是氮化硅納米線的高分辨透射電子顯微鏡照片和電子衍射譜，由HTREM和SAED可見氮化硅納米線為單晶納米線，晶體結構非常完整，幾乎看不到缺陷的存在。氮化硅納米線晶面間距為0.66nm，對應于α-Si3N4,左上角的插圖顯示了氮化硅線的選區電子衍射花樣，這證明合成的氮化硅納米線的結晶性能良好。

　　圖4制備的氮化硅納米線的TEM、HRTEM 照片和電子衍射譜：（a）氮化硅納米線的低分辨TEM照片，插圖為樣品的EDS；（b）相對應區域的高分辨TEM照片，插圖是電子衍射譜.(c)Y 形結氮化硅納米線的低分辨TEM 照片，插圖為樣品的EDS；（d）相對應區域的高分辨TEM 照片，插圖是電子衍射譜

　　圖4c是一個Y 形結氮化硅微結構的透射電子顯微鏡照片、電子衍射譜和高分辨透射電子顯微鏡照片。由圖4 c 可觀察到一個Y 形結氮化硅微結構，該Y 形結的直徑是30 納米，且表面光滑無吸附顆粒。我們還在透射電鏡中對樣品進行了EDS 表征，發現有Cu、Si 和N三種元素，其中Cu來自銅網，硅與氮原子含量比接近3:4，說明納米線的成分比較純，如圖4 c 中插圖所示。圖4 d 是相對應區域的HRTEM 照片，可以清晰的看到晶格條紋。圖4d中插圖是相對應區域的選區電子衍射（SAED）花樣，帶軸沿著[001]方向，(010)、(210)和(200)晶面被標注，推斷出該位置處的生長方向為[200]晶向。電子衍射（SAED）花樣也表明Y 形結氮化硅納米的晶相為單晶α-Si3N4 晶相。

　　采用傅立葉拉曼光譜對制備的樣品進行測量，可以獲得樣品結構的統計信息。圖5是制備樣品的拉曼光譜。我們清楚的觀察到在3186cm-1處有一個較寬的峰,沒有其他的峰出現，表明制備的樣品純度很高。

　　由在源舟中放置一氧化硅與活性炭粉末作為原材料在氮氣下，于1300℃得到了氮化硅納米線，由此可見在這種情況下，氮化硅納米線中的氮元素來源于氮氣，氮化硅納米絲的生長機理應為VS機理。

　　制備溫度和氮氣的流量是熱蒸發法制備氮化硅納米線兩個重要因素。在源舟中放置一氧化硅與活性炭粉末作為原材料時，當溫度達到一定程度（1300℃）N2被活化，起到提供氮源的作用，在高溫下與原材料反應得到大量的氮化硅蒸氣，這些蒸氣不斷地沉積在陶瓷舟內壁形成納米線。而當氮氣流量過大其他條件相同下得到大量的彎絲，這是由于當氣流量增大后，隨載氣帶來的N、Si原子增多，使生長速度過快導致得到粗的彎線。

4. 結論

　　一氧化硅與活性炭按1：1（質量比）比例混合研磨后的粉末作為反應物，在1300℃的制備溫度下熱蒸發2 小時后自然冷卻，且整個制備過程中通入氮氣（200sccm）的載氣。在硅基底上得到灰白色的產物，樣品經SEM、TEM、HRTEM、EDS、RAMAN、XRD 和SAED 表征，結果發現：產物由大量的超長的氮化硅納米線構成，這些納米線的直徑分布在幾十-幾百納米之間，長度達到幾百微米，氮化硅納米線的生長方向主要是沿著[200]方向生長。XRD 分析發現這些納米線是一種單晶的α-Si3N4 結構，且純度較高。氮化硅納米線的制備主要受到制備溫度和載氣影響。大量實驗表明：采用一氧化硅與活性炭作為原材料，在制備溫度為1300℃下通入大量的氮氣（200sccm）是利用熱蒸發法制備氮化硅納米線的較優化的制備條件。利用熱蒸發法制備的氮化硅納米線，屬于VS 生長機理。