Nanomateriale de carbură de siliciu

Nanomateriale de carbură de siliciu

Nanomaterialele din carbură de siliciu (nanomateriale SIC) se referă la materiale compuse dincarbură de siliciu (sic)cu cel puțin o dimensiune în scara nanometrului (de obicei definită ca 1-100nm) în spațiul tridimensional. Nanomaterialele din carbură de siliciu pot fi clasificate în structuri dimensionale, unidimensionale, bidimensionale și tridimensionale, în funcție de structura lor.

Nanostructuri dimensionale zerosunt structuri ale căror toate dimensiunile sunt pe scara nanometrului, incluzând în principal nanocristale solide, nanosfere goale, nanocaje goale și nanosfere de coajă de miez.

Nanostructuri unidimensionaleConsultați structurile în care două dimensiuni sunt limitate la scala nanometrului în spațiul tridimensional. Această structură are multe forme, inclusiv nanofire (centru solid), nanotuburi (centru gol), nanobelts sau nanobelts (secțiune dreptunghiulară îngustă) și nanoprisme (secțiune transversală în formă de prismă). Această structură a devenit punctul central al cercetării intensive datorită aplicațiilor sale unice în fizica mezoscopică și fabricarea dispozitivelor la nano -scală. De exemplu, purtătorii de nanostructuri unidimensionale se pot propaga doar într-o direcție a structurii (adică, direcția longitudinală a nanofirei sau nanotubului) și pot fi utilizate ca interconectări și dispozitive cheie în nanoelectronică.

Nanostructuri bidimensionale, care au o singură dimensiune la nano -scală, de obicei perpendiculară pe planul lor de strat, cum ar fi nanosheets, nanosheets, nanosheets și nanosfere, au primit recent o atenție specială, nu numai pentru înțelegerea de bază a mecanismului lor de creștere, ci și pentru explorarea aplicațiilor potențiale ale lor în emițătoare ușoare, senzori, celule solare, etc.

Nanostructuri tridimensionalesunt de obicei numite nanostructuri complexe, care sunt formate dintr-o colecție a uneia sau mai multor unități structurale de bază în zero-dimensională, unidimensională și bidimensională (cum ar fi nanofire sau nanorode conectate de joncțiuni cu un singur cristal), iar dimensiunile geometrice ale acestora sunt pe scara nanometrului sau micrometrului. Astfel de nanostructuri complexe, cu o suprafață ridicată pe unitatea de volum, oferă multe avantaje, cum ar fi căi optice lungi pentru absorbția eficientă a luminii, transferul rapid de încărcare interfațială și capacitățile de transport reglabile de încărcare. Aceste avantaje permit nanostructuri tridimensionale să avanseze proiectarea în aplicațiile viitoare de conversie și stocare a energiei. De la structuri 0D la 3D, o mare varietate de nanomateriale au fost studiate și introduse treptat în industrie și în viața de zi cu zi.

Metode de sinteză ale nanomaterialelor SIC

Materialele cu dimensiuni zero pot fi sintetizate prin metodă de topire la cald, metodă de gravare electrochimică, metodă de piroliză laser etc.Sic solidNanocristale variind de la câțiva nanometri până la zeci de nanometri, dar sunt de obicei pseudo-sferice, așa cum se arată în figura 1.

Figura 1 Imagini TEM ale nanocristalelor β-SIC pregătite prin diferite metode

(a) sinteza solvotermică [34]; (B) metoda de gravură electrochimică [35]; (c) prelucrarea termică [48]; (d) Piroliza laser [49]

Dasog și colab. Nanocristale β-SIC sintetice cu dimensiuni controlabile și structură clară prin reacție de descompunere dublă în stare solidă între pulberi SiO2, Mg și C [55], așa cum se arată în figura 2.

Figura 2 Imagini FESEM ale nanocristalelor sic sferice cu diametre diferite [55]

(a) 51,3 ± 5,5 nm; (B) 92,8 ± 6,6 nm; (c) 278,3 ± 8,2 nm

Metoda fazei vaporilor pentru creșterea nanofirelor SIC. Sinteza fazelor gazoase este cea mai matură metodă pentru formarea nanofirelor SIC. Într -un proces tipic, substanțele de vapori utilizate ca reactanți pentru a forma produsul final sunt generate de evaporare, reducere chimică și reacție gazoasă (care necesită temperaturi ridicate). Deși temperatura ridicată crește consumul suplimentar de energie, nanofirele SiC cultivate prin această metodă au de obicei o integritate ridicată a cristalului, nanofire clare/nanorode, nanoprisme, nanoneedles, nanotuburi, nanobelts, nanocabile etc., așa cum se arată în figura 3.

Figura 3 Morfologiile tipice ale nanostructurilor unidimensionale SIC 

(a) tablouri de nanofire pe fibre de carbon; (b) nanofire ultralong pe bile ni-si; (c) nanofire; (d) nanoprisme; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobone; (H) nanochains; (i) Nanotuburi

Metoda soluției pentru prepararea nanofirelor SIC. Metoda soluției este utilizată pentru prepararea nanofirelor SIC, ceea ce reduce temperatura de reacție. Metoda poate include cristalizarea unui precursor al fazei de soluție prin reducerea chimică spontană sau alte reacții la o temperatură relativ ușoară. Ca reprezentanți ai metodei soluției, sinteza solvotermică și sinteza hidrotermică au fost frecvent utilizate pentru a obține nanofire SiC la temperaturi scăzute.

Nanomaterialele bidimensionale pot fi preparate prin metode solvotermice, lasere pulsate, reducere termică a carbonului, exfoliere mecanică și plasmă cu microunde îmbunătățităCVD. Ho și colab. a realizat o nanostructură 3D SIC în formă de floare nanofire, așa cum se arată în figura 4. Imaginea SEM arată că structura asemănătoare cu floarea are un diametru de 1-2 μm și o lungime de 3-5 μm.

Figura 4 Imaginea SEM a unei flori tridimensionale nanowire sic

Performanța nanomaterialelor SIC

Nanomaterialele SIC sunt un material ceramic avansat, cu performanțe excelente, care are proprietăți fizice, chimice, electrice și de altă natură bune.

✔ Proprietăți fizice

Duritate ridicată: microharditatea carburii nano-silicon este între corund și diamant, iar rezistența mecanică a acestuia este mai mare decât cea a corundului. Are o rezistență ridicată la uzură și o auto-lubrifiere bună.

Conductivitate termică ridicată: carbura de nano-silicon are o conductivitate termică excelentă și este un material conductiv termic excelent.

Coeficient de expansiune termică scăzut: Acest lucru permite carburii de nano-silicon să mențină o dimensiune și o formă stabilă în condiții de temperatură ridicată.

Suprafață specifică ridicată: una dintre caracteristicile nanomaterialelor, este favorabilă îmbunătățirii activității sale de suprafață și a performanței reacției.

✔ Proprietăți chimice

Stabilitatea chimică: carbura nano-silicon are proprietăți chimice stabile și își poate menține performanța neschimbată în diferite medii.

Antioxidare: poate rezista la oxidare la temperaturi ridicate și prezintă o rezistență excelentă la temperatură ridicată.

✔Proprietăți electrice

High Bandgap: The High Bandgap îl face un material ideal pentru realizarea dispozitivelor electronice de înaltă frecvență, de înaltă putere și cu energie redusă.

Mobilitate ridicată de saturație a electronilor: este favorabilă transmiterii rapide a electronilor.

✔Alte caracteristici

Rezistență puternică pentru radiații: poate menține performanțe stabile într -un mediu de radiații.

Proprietăți mecanice bune: are proprietăți mecanice excelente, cum ar fi modulul elastic ridicat.

Aplicarea nanomaterialelor SIC

Electronică și dispozitive cu semiconductor: Datorită proprietăților sale electronice excelente și stabilității la temperaturi ridicate, carbura nano-silicon este utilizată pe scară largă în componente electronice de mare putere, dispozitive de înaltă frecvență, componente optoelectronice și alte câmpuri. În același timp, este, de asemenea, unul dintre materialele ideale pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare.

Aplicații optice: Carbura nano-silicon are o bandă largă și proprietăți optice excelente și poate fi utilizat pentru a fabrica lasere de înaltă performanță, LED-uri, dispozitive fotovoltaice etc.

Piese mecanice: Profitând de duritatea ridicată și rezistența la uzură, carbura de nano-silicon are o gamă largă de aplicații în fabricarea de piese mecanice, cum ar fi instrumente de tăiere de mare viteză, rulmenți, garnituri mecanice etc., care pot îmbunătăți considerabil rezistența la uzură și durata de viață a pieselor.

Materiale de nanocompozit: Carbura nano-silicon poate fi combinată cu alte materiale pentru a forma nanocompozite pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, conductivitatea termică și rezistența la coroziune a materialului. Acest material nanocompozit este utilizat pe scară largă în aerospațial, industria auto, domeniul energetic etc.

Materiale structurale la temperatură ridicată: NanoCarbură de siliciuAre o stabilitate excelentă la temperatură ridicată și o rezistență la coroziune și poate fi utilizată în medii de temperatură extremă. Prin urmare, este utilizat ca material structural de temperatură ridicată în domeniul aerospațial, petrochimic, metalurgie și alte câmpuri, cum ar fi fabricareacuptoare cu temperaturi ridicate, Tuburi de cuptor, garnituri de cuptor, etc.

Alte aplicații: Carbură de siliciu Nano este de asemenea utilizată în depozitarea hidrogenului, fotocataliza și detectarea, care arată perspective largi de aplicare.