光伏硅片锯屑直接氮化合成氮化硅形貌控制研究

来源 :南昌大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a_hai1983
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高品质的氮化硅粉体对物相、杂质含量以及形貌有严格要求。对物相和杂质含量这两个指标,学术界和产业界已经研究多年,具备了较成熟的理论和方法;而对形貌这个指标,则还很缺乏研究和理解,没有形成有效的调控手段。相比不规则形状颗粒,球形或类球形颗粒的氮化硅粉体较有利于陶瓷烧结致密化,提高产品性能;氮化硅晶须材料可作为增韧相或导热相应用于复合材料,并且由于其纳米尺度效应在光电半导体领域有应用潜力。前者迄今只有日本UBE能够以基于复杂化工过程的胺解法制备,我国依赖进口;后者迄今缺乏宏量制备的方法。作者以回收提纯光伏硅片锯屑作为原料,进行了调控氮化硅产物形貌的直接氮化研究。成功制备了类球形β相氮化硅、球形ɑ相氮化硅和ɑ相氮化硅晶须。具体主要研究结果如下:(1)光伏硅片切割锯屑颗粒呈~100 nm厚片状,表面存在非晶层,含~1.98wt%氧。这些特性是本研究中形貌控制的基础。(2)光伏硅片锯屑常规直接氮化过程中,不规则形状的氮化硅颗粒与氮化硅晶须都会出现。前者主要以3Si+2N2—Si3N4途径形成;后者则以3Si O(g)+2N2—3/2O2+Si3N4途径形成,其中Si O气体可以通过光伏硅片锯屑表面氧化层与硅锯屑或反应气中的H2反应形成。当氧分压较低时,Si O气体是可以稳定存在的。(3)通过采用CaF2辅剂和NH3气氛,在1300℃的较低温度下,制备出了富β相类球形氮化硅粉体。分析显示Ca F2与硅锯屑表面氧化层反应形成了CaxSiyOz液相,液相的存在使得β相氮化硅形核,且在低能量固液界面的驱动下快速各向同性生长,形成类球形β相氮化硅颗粒。(4)通过采用特种复合卤化盐辅助NH3气氛氮化方式,在1200℃/1300℃的较低温度下,成功制备出了ɑ相类球形氮化硅。其中可能的机理是:复合卤化盐促进Si O气体产生,使得通过3Si O(g)+2N2—Si3N4+3/2O2途径形成ɑ相氮化硅晶核,然而与常规直接氮化时情况不同,由于复合卤化盐的抑制作用,氮化硅晶核未沿特定方向生长形成晶须,而是形成类球形颗粒。(5)基于本文所提出的氮化硅晶须形成机制,开发出了一种以氮氢混合气与硅锯屑反应宏量制备ɑ相氮化硅晶须材料制备工艺,氮化硅晶须的产率为78.8%。
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