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一文了解氮氧化硅材料制备方法及应用
2018月06月27日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:180
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氮氧化硅材料主要有氮氧化硅复合陶瓷、氮氧化硅薄膜材料及介孔氮氧化硅材料,氮氧化硅(Si2N2O)复合陶瓷具有抗热震、抗氧化、高致密度和优异的力学性能及化学稳定性等优点,是一种性能优异高温结构材料;氮氧化硅薄膜具有折射率可控、薄膜应力可调和在室温及可见光范围内光致发光的性质,广泛应用于集成电路、光学器件、光波导材料、非易失性存储器及离子传感器等领域。


一、氮氧化硅复合陶瓷


为了改善氮化硅陶瓷韧性差的问题,Si3N4陶瓷基础上加入SiO2高温生成Si2N2O,合成Si3N4/Si2N2O复合陶瓷。氮氧化硅复合陶瓷制备方法主要有原位烧结法、凝胶注模和硅溶胶浸渗法。

氮氧化硅复合陶瓷


1、原位烧结法

原位烧结法制备氮氧化硅复合陶瓷是以Y2O3Al2O3作为烧结助剂,通过液相烧结非晶纳米Si3N4陶瓷粉体,经过原位反应成功合成了细晶Si3N4/Si2N2O复合陶瓷。其反应方程式如下:

4 Si3N43O2    6Si2N2O2N2

 

目前,原位烧结技术是合成氮氧化硅复合材料较为常用的方法,一般采用Y2O3Al2O3作为烧结助剂,经过一步原位反应,合成需要的复合材料。 该方法优点是:易于操作,工艺过程简单。缺点是但是原位反应通常在高温下进行,成本较高,而且复合材料中成分含量不易控制。

氮氧化硅粉体SEM图片


2、凝胶注模和硅溶胶浸渗法

相对原位烧结技术,凝胶注模和硅溶胶浸渗法制备得到的氮氧化硅复合陶瓷性能较好且具有较低的收缩率,该复合陶瓷力学性质和致密度随渗透周期和烧结温度的增大而增大,通过改变渗透周期和烧结温度,得到低线性收缩率(1.3%5.7%)、良好的强度(95180MPa)以及中等介电常数。


同时有研究者以硅粉、二氧化硅细粉和碳化硅为原料,经过一系列中间过程,成功制备了SiC/Si2N2O复合材料,这种复合材料在高温下仍能保持良好的抗折强度、抗热震与抗氧化性能。


二、氮氧化硅薄膜材料


1、氮氧化硅薄膜的性质

氮氧化硅薄膜性质主要有发光特性和折射率可调。


1)发光特性

目前为止,一般认为SiOxNy薄膜发光机制有3种:缺陷态辐射复合发光、带尾态辐射复合发光和量子点辐射复合发光。


2)折射率可调

折射率可调是指通过改变反应气体混合物比例来控制其折射率沿膜层表面法线方向连续变化。为了制备渐变折射率薄膜,使其在光波导材料、梯度折射率薄膜及减反射膜等领域得以运用。目前,研究者们对SiOxNy薄膜折射率可调性质进行了大量的研究。


2、氮氧化硅薄膜的制备

目前氮氧化硅薄膜的制备方法主要有:化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)和高温氮化法。


1)化学气相沉积法(CVD

化学气相沉积法是指气态物质(可以是单质或化合物气体)在基板上发生化学反应而沉积成膜。在射频为13.56MHe的等离子体增强化学气相沉积系统中使用一定比例的SiH4NH3混合气在硅衬底和石英衬底沉积制膜,其中衬底温度保持室温,射频功率和反应压强维持一定值,薄膜厚度控制在100nm左右。


化学气相沉积的优点是:薄膜组成成分可控,沉积温度低,沉积速度快,所得薄膜均匀且纯度高等。


缺点是:制备的SiOxNy薄膜通常会引入氢元素(主要来源于反应物的引入或反应器中的气体残余),从而影响材料的性能,如影响薄膜的电性能和耐腐蚀性能。

氮氧化硅薄膜薄膜SEM图片


2)物理气相沉积

物理气相沉积法(PVD)是指在真空条件下,采用物理方法,将原料气化成气体原子、分子或电离成离子,并通过溅射或等离子体技术,在基体表面沉积形成SiOxNy膜。 物理气相沉积主要方法有真空镀膜、离子镀膜、等离子体镀膜和溅射镀膜。溅射镀膜是目前研究应用较成熟的方法,溅射镀膜是指在真空条件下,让具有特定能量粒子轰击固体(靶材)表面,使固体表面原子获得足够能量而逃逸,最终在基材表面上沉积形成薄膜。


3)高温氮化法

高温氮化法是指在一定条件下含氮气体(如N2ONONH3N2)高温氮化SiO2薄膜而制得氮氧化硅薄膜的方法。这种方法因涉及氧化和氮化两个过程,所以不同的氧化和氮化条件制备出来的薄膜的性质不一样。


氮氧化硅薄膜制备方法对比

制备方法

 

 

CVD

沉积速度快、温度低、成膜均匀

薄膜中H的含量高

PVD

薄膜中H的含量低

沉积速度低、易引入杂质和容易出现靶中毒现象

高温氮化

操作简便,可工业化生产

薄膜厚度不易控制、原料气体有毒及N2氮化效率低


三、介孔氮氧化硅材料


目前,国内外对介孔氮氧化硅材料的研究相对较少,主要集中在研究制备高氮含量的有序介孔氮氧化硅。介孔氮氧化硅材料工艺过程是首先采用先合成介孔氧化硅和介孔含铝氧化硅前驱体,再氮化的方法成功合成了高氮有序介孔氮氧化硅材料,氮含量约为21%(质量分数)。


四、氮氧化硅材料应用


1、氮氧化硅复合陶瓷

氮氧化硅(Si2N2O)复合陶瓷具有抗热震、抗氧化、高致密度和优异的力学性能及化学稳定性等优点,是一种性能优异高温结构材料,被广泛地应用于制造燃气发动机的耐高温部件、化学工业中耐腐蚀部件、以及高温陶瓷轴承、高速切削工具、雷达天线罩、核反应堆的支撑、隔离件和裂变物质的载体等。

氮氧化硅复合陶瓷应用于燃气发动机的耐高温部件


2、氮氧化硅薄膜材料

氮氧化硅薄膜材料因其诸多优良特性(如良好的化学稳定性、光电性能和力学性能),使它在微电子器件、光学器件以及光波导材料等方面具有重要的应用。

氮氧化硅薄膜材料应用于微电子器件


3、介孔氮氧化硅材料

介孔氮氧化硅材料具有规整有序的孔道结构和稳定的表面碱性位,对特定的反应有较高的催化活性和选择性,是一类在催化、吸附、材料、生物制药等领域有广泛应用前景的新材料。


参考文献

1、骆俊廷,张凯锋,王国峰等,原位制备细晶Si3N4/Si2N2O复相陶瓷。

2、李嘉,焦玉娟,周正扬等,多晶硅薄膜材料制备技术研究进展。

3、朱勇,顾培夫,沈伟东等,射频磁控反应溅射氮氧化硅薄膜的研究。

4何善传贾庆明苏红莹等,氮氧化硅材料的研究进展。


李波涛

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