Silicijev karbid nanomateriali

Silicijev karbid nanomateriali

Nanomateriali silicijevega karbida (sic nanomateriali) se nanašajo na materiale, sestavljene izSilicijev karbid (sic)z vsaj eno dimenzijo v nanometrski lestvici (običajno definirano kot 1-100Nm) v tridimenzionalnem prostoru. Nanomateriali iz silicijevega karbida lahko razvrstimo v ničelno, dvodimenzionalno, dvodimenzionalno in tridimenzionalno strukturo glede na njihovo strukturo.

Zerodimenzionalne nanostruktureso strukture, katerih vse dimenzije so na nanometrski lestvici, predvsem vključno s trdnimi nanokristali, votlimi nanosferami, votlimi nanokami in nanosferami jedra.

Enodimenzionalne nanostruktureGlejte strukture, v katerih sta dve dimenziji omejeni na lestvico nanometra v tridimenzionalnem prostoru. Ta struktura ima številne oblike, vključno z nanožici (trdno središče), nanocevke (votlo središče), nanobeltov ali nanobeltov (ozek pravokotni presek) in nanoprizmi (prerez v obliki prizme). Ta struktura je postala žarišče intenzivnih raziskav zaradi svojih edinstvenih aplikacij v mezoskopski fiziki in proizvodnji nanoskalnih naprav. Na primer, nosilci v enodimenzionalnih nanostrukturi se lahko širijo le v eno smer strukture (tj. Vzdolžna smer nanowire ali nanocevke) in se lahko uporabljajo kot medsebojne povezave in ključne naprave v nanoelektroniki.

Dvodimenzionalne nanostrukture, ki imajo samo eno dimenzijo na nanoscale, običajno pravokotno na ravni plasti, kot so nanosheeti, nanosheeti, nanosheeti in nanosfere, so bili v zadnjem času deležni posebne pozornosti, ne le za osnovno razumevanje njihovih mehanizmov rasti, ampak tudi za raziskovanje njihovih potencialnih aplikacij v svetlobnih celicah, itd.

Tridimenzionalne nanostruktureObičajno se imenujejo zapletene nanostrukture, ki jih tvorijo zbirka ene ali več osnovnih strukturnih enot v ničelno dimenzionalnih, enodimenzionalnih in dvodimenzionalnih (kot so nanowire ali nanorode, povezane z enim kristalnim stikom), in njihove splošne geometrijske dimenzije so na lestvici nanometra ali mikrometra. Takšne zapletene nanostrukture z visoko površino na enoto prostornine zagotavljajo številne prednosti, kot so dolge optične poti za učinkovito absorpcijo svetlobe, hiter medfazni prenos naboja in prilagodljive zmogljivosti za prevoz naboja. Te prednosti omogočajo tridimenzionalnemu nanostrukture za napredovanje v prihodnjih aplikacijah za pretvorbo in shranjevanje energije. Od 0D do 3D struktur so preučevali in postopoma uvedli najrazličnejše nanomateriale v industrijo in vsakdanje življenje.

Sinteze metode sic nanomaterialov

Zerodimenzionalne materiale je mogoče sintetizirati z metodo vroče taline, elektrokemično metodo jedkanja, metodo laserske pirolize itd.Sic trdnananokristali, ki segajo od nekaj nanometrov do več deset nanometrov, vendar so običajno psevdo-sferični, kot je prikazano na sliki 1.

Slika 1 TEM slike β-SIC nanokristalov, pripravljenih z različnimi metodami

(a) solvotermalna sinteza [34]; (B) metoda elektrokemičnega jedkanja [35]; (c) toplotna obdelava [48]; (d) Laserska piroliza [49]

Dasog et al. Sintetizirani sferični β-SIC nanokristali z nadzorovano velikostjo in jasno strukturo z dvojno razgradnjo v trdni državi med siO2, Mg in C praški [55], kot je prikazano na sliki 2.

Slika 2 FESEM slike sferičnih sic nanokristalov z različnimi premeri [55]

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

Metoda pare faze za gojenje sic nanožic. Sinteza plinske faze je najbolj zrela metoda za oblikovanje nanožic sic. V tipičnem postopku se hlapilne snovi, ki se uporabljajo kot reaktanti za oblikovanje končnega produkta, ustvarijo z izhlapevanjem, kemičnim redukcijo in plinastimi reakcijami (ki zahtevajo visoko temperaturo). Čeprav visoka temperatura poveča dodatno porabo energije, imajo nanoži, ki jih gojijo s to metodo, ponavadi visoko celovitost kristala, jasne nanožice/nanorode, nanoprizme, nanoneede, nanocevke, nanobelte, nanokable itd., Kot je prikazano na sliki 3.

Slika 3 Tipične morfologije enodimenzionalnih nanostruktur SiC 

(a) nanowire matrike na ogljikovih vlaknih; (b) Ultralong Nanowires na Ni-Si kroglicah; (c) nanožice; (d) nanoprizmi; (E) nanobambus; (f) nanoneedles; (g) nanoboni; (H) nanohaini; (i) nanocevke

Metoda rešitev za pripravo nanožic sic. Metoda raztopine se uporablja za pripravo nanožic sic, kar znižuje reakcijsko temperaturo. Metoda lahko vključuje kristalizacijo predhodnika faze raztopine s spontanim kemičnim reduktom ali drugimi reakcijami pri razmeroma blagi temperaturi. Kot predstavniki metode raztopine so solvotermalna sinteza in hidrotermalna sinteza običajno uporabljena za pridobivanje sic nanožic pri nizkih temperaturah.

Dvodimenzionalne nanomateriale lahko pripravimo s solvotermalnimi metodami, impulznimi laserji, zmanjšanjem toplotnega ogljika, mehansko pilingom in mikrovalovno plazmo, okrepljenoCVD. Ho et al. realiziral 3D sic nanostrukturo v obliki rože nanowire, kot je prikazano na sliki 4. Slika SEM kaže, da ima cvetlična struktura premer 1-2 μm in dolžino 3-5 μm.

Slika 4 SEM slika tridimenzionalnega roža sic nanowire

Uspešnost sic nanomaterialov

Sic nanomateriali so napredni keramični material z odlično zmogljivostjo, ki ima dobre fizične, kemične, električne in druge lastnosti.

✔ Fizične lastnosti

Visoka trdota: mikroolosta nano-siliconskega karbida je med korundumom in diamantom, njegova mehanska trdnost pa je večja kot pri korundumu. Ima visoko odpornost proti obrabi in dobro samovšečnost.

Visoka toplotna prevodnost: Nano-Silicon karbid ima odlično toplotno prevodnost in je odličen toplotni prevodni material.

Nizka koeficient toplotne ekspanzije: To omogoča, da nano-Silicon karbid ohrani stabilno velikost in obliko v visokih temperaturnih pogojih.

Visoka specifična površina: ena od značilnosti nanomaterialov, ki pripomore k izboljšanju njegove površinske aktivnosti in reakcijskih zmogljivosti.

✔ Kemične lastnosti

Kemična stabilnost: Nano-Silicon karbid ima stabilne kemijske lastnosti in lahko ohrani svojo zmogljivost nespremenjeno v različnih okoljih.

Antioksidacija: lahko se upira oksidaciji pri visokih temperaturah in ima odlično visoko temperaturno odpornost.

✔Električne lastnosti

Visok pas: Visok pas je idealen material za izdelavo elektronskih naprav z visokofrekvenco, veliko močjo in nizkoenergijo.

Visoka mobilnost za nasičenost elektronov: ugodna za hiter prenos elektronov.

✔Druge značilnosti

Močna odpornost na sevanje: lahko ohrani stabilno delovanje v sevalnem okolju.

Dobre mehanske lastnosti: ima odlične mehanske lastnosti, kot je visok elastični modul.

Uporaba sic nanomaterialov

Elektronike in polprevodniške naprave: Zaradi odličnih elektronskih lastnosti in visokotemperaturne stabilnosti se nano-siliconski karbid pogosto uporablja v elektronskih komponentah z visoko močjo, visokofrekvenčnih napravah, optoelektronskih komponentah in drugih poljih. Hkrati je tudi eden izmed idealnih materialov za izdelavo polprevodniških naprav.

Optične aplikacije: Nano-Silicon Carbide ima široko pasu in odlične optične lastnosti in se lahko uporablja za izdelavo visokozmogljivih laserjev, LED, fotovoltaičnih naprav itd.

Mehanski deli: Nano-Silicon karbid, ki izkoristi svojo visoko trdoto in odpornost na obrabo, ima široko paleto uporabe pri proizvodnji mehanskih delov, kot so orodja za rezanje visokih hitrosti, ležaji, mehanska tesnila itd.

Nanokompozitni materiali: Nano-Silicon karbid lahko kombiniramo z drugimi materiali, da tvorimo nanokompozite, da se izboljšajo mehanske lastnosti, toplotno prevodnost in korozijsko odpornost materiala. Ta nanokompozitni material se pogosto uporablja v vesoljski, avtomobilski industriji, energetskem polju itd.

Visoko temperaturna strukturni materiali: NanoSilicijev karbidIma odlično visoko temperaturno stabilnost in korozijsko odpornost, ki se lahko uporablja v ekstremnih visokotemperaturnih okoljih. Zato se uporablja kot visokotemperaturni strukturni material v vesoljskem, petrokemičnem, metalurgiji in drugih področjih, kot je proizvodnjaPeči visoke temperature, cevi za peči, obloge za peči itd.

Druge aplikacije: Nanosilikonski karbid se uporablja tudi pri shranjevanju vodika, fotokatalizi in zaznavanju, ki prikazuje široke možnosti uporabe.