Введение
β Нитрид углерода (бета-нитрид углерода), β C3N4, — это сверхтвёрдый материал, теоретически превосходящий алмаз по твёрдости. Материал был впервые предложен в 1985 году Эми Лю и Марвином Л. Коэном. Исследуя природу кристаллических связей, они предположили, что атомы углерода и азота могут образовывать особенно короткую и прочную связь в стабильной кристаллической решётке в соотношении 1:1,3, и что этот материал может быть твёрже алмаза. Нанокристаллы и наностержни β-нитрида углерода могут быть получены методом механикохимической обработки.
Обработка
β C3N4 может быть синтезирован в ходе механикохимической реакции. Этот метод включает шаровое измельчение графитовых порошков высокой чистоты до аморфного наноразмерного состояния в атмосфере аргона. Затем аргон замещается атмосферой газа NH3, что способствует формированию наноразмерных чешуек β C3N4. В процессе шарового измельчения происходит многократное разрушение и спекание реагирующих веществ и частиц графитового порошка в результате столкновений шаров с порошком. Пластическая деформация частиц графитового порошка происходит из-за разложения сдвиговых полос на субзерна, разделенные малоугловыми границами зерен; дальнейшее измельчение уменьшает размер субзерен до образования наноразмерных субзерен. Высокое давление и интенсивное движение способствуют каталитической диссоциации молекул NH3 на моноатомный азот на поверхности разрушенного углерода. Наноразмерный углеродный порошок существенно отличается от объемного материала благодаря размеру частиц и площади поверхности, что обеспечивает легкую реакцию наноразмерного углерода со свободными атомами азота с образованием порошка β C3N4.
Производство наностанок
Однокристаллические наностержни β-C3N4 могут быть сформированы после термического отжига порошкообразного или чешуевидного соединения в потоке газа NH3. Размер наностержней определяется температурой и временем термического отжига. Эти наностержни растут быстрее по направлению своей оси, чем по направлению диаметра, и имеют концы, близкие к полусферической форме. Поперечное сечение наностержней показывает, что их форма сечения – призматическая. Было установлено, что они содержат аморфные фазы, однако при отжиге до 450 °C в течение трех часов в атмосфере NH3 количество аморфной фазы практически полностью исчезло. Эти наностержни плотные и двойниковые, а не нанотрубки. Синтез этих наностержней посредством термического отжига представляет собой эффективный, экономичный и высокопроизводительный метод получения однокристаллических наностержней.
Альтернативные методы синтеза
Вместо формирования порошка или наностержней, соединение нитрида углерода может также формироваться в виде тонких аморфных пленок посредством технологии ударно-волнового сжатия, пиролиза прекурсоров с высоким содержанием азота, диодного распыления, сольвотермального синтеза, импульсной лазерной абляции или ионной имплантации.
Трудности обработки
Хотя было проведено множество исследований процесса и синтеза нитрида углерода, концентрация азота в соединении, как правило, оказывается ниже стехиометрического состава для C3N4. Это обусловлено низкой термодинамической стабильностью по отношению к углеродным фазам и газообразному азоту, что подтверждается положительными значениями энтальпии образования. Коммерческое использование нанопорошков сильно ограничено высокой стоимостью синтеза и сложными методами производства, приводящими к низкому выходу.
Морфология
β C3N4 имеет ту же кристаллическую структуру, что и β Si3N4, с гексагональной сетью тетраэдрически (sp3) связанного углерода и тригонально-плоскостного азота (sp2). Термический отжиг может быть использован для изменения морфологии кристаллов от чешуйчатой до сферической или стержневидной. Наностержни обычно прямые и не содержат других дефектов.
Свойства
Предсказывается, что твердость достигнет или превысит твердость алмаза (самого твердого из известных материалов), однако это пока не продемонстрировано.