氮氧化硅材料主要有氮氧化硅復合陶瓷、氮氧化硅薄膜材料及介孔氮氧化硅材料，氮氧化硅（Si₂N₂O）復合陶瓷具有抗熱震、抗氧化、高致密度和優異的力學性能及化學穩定性等優點，是一種性能優異高溫結構材料；氮氧化硅薄膜具有折射率可控、薄膜應力可調和在室溫及可見光范圍內光致發光的性質，廣泛應用于集成電路、光學器件、光波導材料、非易失性存儲器及離子傳感器等領域。

一、氮氧化硅復合陶瓷

為了改善氮化硅陶瓷韌性差的問題，Si₃N₄陶瓷基礎上加入SiO₂高溫生成Si₂N₂O，合成Si₃N₄/Si₂N₂O復合陶瓷。氮氧化硅復合陶瓷制備方法主要有原位燒結法、凝膠注模和硅溶膠浸滲法。

氮氧化硅復合陶瓷

1、原位燒結法

原位燒結法制備氮氧化硅復合陶瓷是以Y₂O₃和Al₂O₃作為燒結助劑，通過液相燒結非晶納米Si₃N₄陶瓷粉體，經過原位反應成功合成了細晶Si₃N₄/Si₂N₂O復合陶瓷。其反應方程式如下：

4 Si₃N₄＋3O₂  →  6Si₂N₂O＋2N₂

目前，原位燒結技術是合成氮氧化硅復合材料較為常用的方法，一般采用Y₂O₃和Al₂O₃作為燒結助劑，經過一步原位反應，合成需要的復合材料。 該方法優點是：易于操作，工藝過程簡單。缺點是但是原位反應通常在高溫下進行，成本較高，而且復合材料中成分含量不易控制。

氮氧化硅粉體SEM圖片

2、凝膠注模和硅溶膠浸滲法

相對原位燒結技術，凝膠注模和硅溶膠浸滲法制備得到的氮氧化硅復合陶瓷性能較好且具有較低的收縮率，該復合陶瓷力學性質和致密度隨滲透周期和燒結溫度的增大而增大，通過改變滲透周期和燒結溫度，得到低線性收縮率（1.3%～5.7%）、良好的強度（95～180MPa）以及中等介電常數。

同時有研究者以硅粉、二氧化硅細粉和碳化硅為原料，經過一系列中間過程，成功制備了SiC/Si₂N₂O復合材料，這種復合材料在高溫下仍能保持良好的抗折強度、抗熱震與抗氧化性能。

二、氮氧化硅薄膜材料

1、氮氧化硅薄膜的性質

氮氧化硅薄膜性質主要有發光特性和折射率可調。

（1）發光特性

目前為止，一般認為SiO_xN_y薄膜發光機制有３種：缺陷態輻射復合發光、帶尾態輻射復合發光和量子點輻射復合發光。

（2）折射率可調

折射率可調是指通過改變反應氣體混合物比例來控制其折射率沿膜層表面法線方向連續變化。為了制備漸變折射率薄膜，使其在光波導材料、梯度折射率薄膜及減反射膜等領域得以運用。目前，研究者們對SiO_xN_y薄膜折射率可調性質進行了大量的研究。

2、氮氧化硅薄膜的制備

目前氮氧化硅薄膜的制備方法主要有：化學氣相沉積法（CVD）、物理氣相沉積法（PVD）和高溫氮化法。

（1）化學氣相沉積法（CVD）

化學氣相沉積法是指氣態物質（可以是單質或化合物氣體）在基板上發生化學反應而沉積成膜。在射頻為13.56MHe的等離子體增強化學氣相沉積系統中使用一定比例的SiH₄和NH₃混合氣在硅襯底和石英襯底沉積制膜，其中襯底溫度保持室溫，射頻功率和反應壓強維持一定值，薄膜厚度控制在100nm左右。

化學氣相沉積的優點是：薄膜組成成分可控，沉積溫度低，沉積速度快，所得薄膜均勻且純度高等。

缺點是：制備的SiO_xN_y薄膜通常會引入氫元素（主要來源于反應物的引入或反應器中的氣體殘余），從而影響材料的性能，如影響薄膜的電性能和耐腐蝕性能。

氮氧化硅薄膜薄膜SEM圖片

（2）物理氣相沉積

物理氣相沉積法（PVD）是指在真空條件下，采用物理方法，將原料氣化成氣體原子、分子或電離成離子，并通過濺射或等離子體技術，在基體表面沉積形成SiO_xN_y膜。 物理氣相沉積主要方法有真空鍍膜、離子鍍膜、等離子體鍍膜和濺射鍍膜。濺射鍍膜是目前研究應用較成熟的方法，濺射鍍膜是指在真空條件下，讓具有特定能量粒子轟擊固體（靶材）表面，使固體表面原子獲得足夠能量而逃逸，最終在基材表面上沉積形成薄膜。

（3）高溫氮化法

高溫氮化法是指在一定條件下含氮氣體（如N₂O、NO、NH₃、N₂）高溫氮化SiO₂薄膜而制得氮氧化硅薄膜的方法。這種方法因涉及氧化和氮化兩個過程，所以不同的氧化和氮化條件制備出來的薄膜的性質不一樣。

氮氧化硅薄膜制備方法對比

三、介孔氮氧化硅材料

目前，國內外對介孔氮氧化硅材料的研究相對較少，主要集中在研究制備高氮含量的有序介孔氮氧化硅。介孔氮氧化硅材料工藝過程是首先采用先合成介孔氧化硅和介孔含鋁氧化硅前驅體，再氮化的方法成功合成了高氮有序介孔氮氧化硅材料，氮含量約為21%（質量分數）。

四、氮氧化硅材料應用

1、氮氧化硅復合陶瓷

氮氧化硅（Si₂N₂O）復合陶瓷具有抗熱震、抗氧化、高致密度和優異的力學性能及化學穩定性等優點，是一種性能優異高溫結構材料，被廣泛地應用于制造燃氣發動機的耐高溫部件、化學工業中耐腐蝕部件、以及高溫陶瓷軸承、高速切削工具、雷達天線罩、核反應堆的支撐、隔離件和裂變物質的載體等。

氮氧化硅復合陶瓷應用于燃氣發動機的耐高溫部件

2、氮氧化硅薄膜材料

氮氧化硅薄膜材料因其諸多優良特性（如良好的化學穩定性、光電性能和力學性能），使它在微電子器件、光學器件以及光波導材料等方面具有重要的應用。

氮氧化硅薄膜材料應用于微電子器件

3、介孔氮氧化硅材料

介孔氮氧化硅材料具有規整有序的孔道結構和穩定的表面堿性位，對特定的反應有較高的催化活性和選擇性，是一類在催化、吸附、材料、生物制藥等領域有廣泛應用前景的新材料。

參考文獻：

1、駱俊廷，張凱鋒，王國峰等，原位制備細晶Si₃N₄/Si₂N₂O復相陶瓷。

2、李嘉，焦玉娟，周正揚等，多晶硅薄膜材料制備技術研究進展。

3、朱勇，顧培夫，沈偉東等，射頻磁控反應濺射氮氧化硅薄膜的研究。

4、何善傳，賈慶明，蘇紅瑩等，氮氧化硅材料的研究進展。

李波濤