Synthesis and carbothermal nitridation mechanism of ultra-long single crystal α-Si3N4 nanobelts

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作者
Bo Wang,Xin Huang,Xiaonan Zhou,Qiang Zhi,Liucheng Hao,Zixuan Li,Shan Zhao,Baoqiang Hou,Jianfeng Yang,Kōzō Ishizaki
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:31 (19): 194001-194001 被引量:3
标识
DOI:10.1088/1361-6528/ab6fd7
摘要

One-dimensional Si3N4 nanostructures are desirable for constructing nanoscale electric and optoelectronic devices due to their peculiar morphologies. Herein, a facile and environmentally friendly catalyst-free method is proposed to synthesize ultra-long single crystal α-Si3N4 nanobelts via carbothermal nitridation of carbon nanotubes at 1750 °C. The obtained α-Si3N4 nanobelts with a flat surface (thickness of ∼150 nm, length of several millimeters) exhibited an extremely high aspect ratio, perfect crystal structure, and high specific surface area of 7.34-10.09 m2 g-1. In addition, the width was increased from approximately 80 nm to 8 μm by increasing the holding time from 1 to 3 h. The nanobelt formation was governed by the vapor-solid (VS) reaction between SiO vapor, N2 and carbon nanotubes, and the vapor-vapor reaction between SiO, CO and N2. The former was responsible for the initial nucleation and successive base-growth of α-Si3N4 nanotubes. The latter additionally contributed to the nanorod and subsequent proto-nanobelt formation and to the growth of the nanobelts. During high-temperature annealing at 1750 °C, the original Si3N4 nanotubes gradually transformed into nanorods, and, finally, nanobelts with stable shapes as a result of surface energy minimization.
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