C/SiC 복합재 내 β-Si3N4 나노층 형성 및 특성

β-Si3N4는 우수한 기계적, 열적, 유전적 특성을 지니지만, 소결 첨가제 및 입계상으로 인해 벌크 세라믹에서 국부적인 원자 배열 및 결합 관련 전자 구조 특성 분석이 어렵습니다. 본 연구에서는 질소를 함유한 글루코스 기반 탄소 골격에 용융 Si를 반응 침투시켜 C/SiC 계면에 연속적이고 소결 첨가제가 없는 β-Si3N4 나노층을 형성했습니다. 형성된 나노층은 계면 영역 내에서 마이크로미터 스케일의 측면 연속성을 보이며, 국부적으로 약 20 nm 두께를 가집니다. 다중 결정학적 방향을 따라 HAADF-STEM 및 iDPC-STEM 관찰을 통해 Si 골격과 경원소 N 서브격자를 모두 분석하여, β-Si3N4의 특징적인 ABAB 적층 및 모서리 공유 SiN4 사면체 네트워크를 확인했습니다. N K-edge 및 Si L2,3-edge 전자 에너지 손실 근접 구조(ELNES)를 참조 스펙트럼 및 밀도범함수 이론(DFT) 기반 시뮬레이션을 통해 분석했습니다. 주요 특징들은 사면체 Si-N 골격 내 혼성화된 비점유 상태의 상보적인 N 및 Si 투영 성분과 연관되었습니다. 상태 밀도, 전하 밀도 재분배 및 밴드 구조 계산을 통해 N 가중 점유 결합 상태, 주로 Si 유래의 비점유 상태, Si에서 N으로의 부분적인 전하 이동 및 방향성 공유 결합이 밝혀졌습니다. 이러한 결과는 계면 β-Si3N4 나노층의 원자 스케일 구조 및 결합 민감 분광학적 특성화를 제공하며, 제일원리 계산이 주요 ELNES 특징 해석을 뒷받침합니다. 이는 β-Si3N4의 근본적인 이해를 증진하고, 첨단 세라믹 복합재 설계에 기여할 수 있습니다.