Nanomateriali silicijevega karbida

Nanomateriali silicijevega karbida

Nanomateriali silicijevega karbida (nanomateriali SiC) se nanašajo na materiale, sestavljene izsilicijev karbid (SiC)z vsaj eno dimenzijo v nanometrskem merilu (običajno definirano kot 1-100 nm) v tridimenzionalnem prostoru. Nanomateriale silicijevega karbida lahko glede na njihovo strukturo razvrstimo v nič-dimenzionalne, enodimenzionalne, dvodimenzionalne in tridimenzionalne strukture.

Nič-dimenzionalne nanostruktureso strukture, katerih vse dimenzije so na nanometrskem merilu, večinoma vključujejo trdne nanokristale, votle nanosfere, votle nanokletke in nanosfere jedro-lupina.

Enodimenzionalne nanostrukturese nanašajo na strukture, v katerih sta dve dimenziji omejeni na nanometrsko lestvico v tridimenzionalnem prostoru. Ta struktura ima veliko oblik, vključno z nanožicami (trdno središče), nanocevkami (votlo središče), nanopasovi ali nanopasovi (ozek pravokoten prečni prerez) in nanoprizme (prečni prerez v obliki prizme). Ta struktura je postala središče intenzivnih raziskav zaradi svojih edinstvenih aplikacij v mezoskopski fiziki in proizvodnji nanometrskih naprav. Na primer, nosilci v enodimenzionalnih nanostrukturah se lahko širijo samo v eni smeri strukture (tj. vzdolžni smeri nanožice ali nanocevke) in se lahko uporabljajo kot medsebojne povezave in ključne naprave v nanoelektroniki.

Dvodimenzionalne nanostrukture, ki imajo samo eno dimenzijo na nanometru, običajno pravokotno na ravnino njihove plasti, kot so nanoplošče, nanoplošče, nanoplošče in nanosfere, so bile nedavno deležne posebne pozornosti, ne le zaradi osnovnega razumevanja njihovega mehanizma rasti, temveč tudi zaradi raziskovanja njihovega potenciala aplikacije v svetlobnih oddajnikih, senzorjih, sončnih celicah itd.

Tridimenzionalne nanostruktureobičajno imenujemo kompleksne nanostrukture, ki jih tvori zbirka ene ali več osnovnih strukturnih enot v nič-dimenzionalnem, enodimenzionalnem in dvodimenzionalnem (kot so nanožice ali nanopalice, povezane z enokristalnimi spoji), in njihove splošne geometrijske dimenzije so na nanometrski ali mikrometrski lestvici. Takšne kompleksne nanostrukture z veliko površino na enoto volumna zagotavljajo številne prednosti, kot so dolge optične poti za učinkovito absorpcijo svetlobe, hiter medfazni prenos naboja in nastavljive zmogljivosti prenosa naboja. Te prednosti omogočajo, da tridimenzionalne nanostrukture napredujejo pri oblikovanju v prihodnjih aplikacijah za pretvorbo in shranjevanje energije. Od 0D do 3D struktur je bila raziskana široka paleta nanomaterialov, ki so bili postopoma uvedeni v industrijo in vsakdanje življenje.

Metode sinteze SiC nanomaterialov

Nič-dimenzionalne materiale je mogoče sintetizirati z metodo vročega taljenja, metodo elektrokemičnega jedkanja, metodo laserske pirolize itd.SiC trdna snovnanokristali v velikosti od nekaj nanometrov do deset nanometrov, vendar so običajno psevdosferični, kot je prikazano na sliki 1.

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

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

Dasog et al. sintetiziral sferične nanokristale β-SiC z nadzorovano velikostjo in jasno strukturo z reakcijo dvojne razgradnje v trdnem stanju med praški SiO2, Mg in C [55], kot je prikazano na sliki 2.

Slika 2 Slike FESEM sferičnih nanokristalov SiC z različnimi premeri [55]

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

Metoda parne faze za gojenje nanožic SiC. Sinteza v plinski fazi je najbolj zrela metoda za oblikovanje nanožic SiC. V tipičnem procesu parne snovi, ki se uporabljajo kot reaktanti za tvorbo končnega produkta, nastanejo z izhlapevanjem, kemično redukcijo in plinasto reakcijo (ki zahteva visoko temperaturo). Čeprav visoka temperatura poveča dodatno porabo energije, imajo nanožice SiC, gojene s to metodo, običajno visoko kristalno celovitost, prozorne nanožice/nanopalice, nanoprizme, nanoigle, nanocevke, nanopasove, nanokable itd., kot je prikazano na sliki 3.

Slika 3 Tipične morfologije enodimenzionalnih SiC nanostruktur 

(a) nizi nanožic na ogljikovih vlaknih; (b) Ultradolge nanožice na Ni-Si kroglicah; (c) nanožice; (d) nanoprizme; (e) nanobambus; (f) nanoigle; (g) nanokosti; (h) nanoverige; (i) Nanocevke

Raztopinska metoda za pripravo SiC nanožic. Metoda raztopine se uporablja za pripravo SiC nanožic, ki zniža reakcijsko temperaturo. Metoda lahko vključuje kristalizacijo prekurzorja raztopinske faze s spontano kemično redukcijo ali drugimi reakcijami pri razmeroma blagi temperaturi. Solvotermalna sinteza in hidrotermalna sinteza sta bili kot predstavniki raztopinske metode običajno uporabljeni za pridobivanje SiC nanožic pri nizkih temperaturah.

Dvodimenzionalne nanomateriale je mogoče pripraviti s solvotermalnimi metodami, pulznimi laserji, toplotno redukcijo ogljika, mehanskim pilingom in mikrovalovno plazmo izboljšanoKVB. Ho et al. realiziral 3D SiC nanostrukturo v obliki rože iz nanožice, kot je prikazano na sliki 4. SEM slika kaže, da ima cvetlična struktura premer 1-2 μm in dolžino 3-5 μm.

Slika 4 SEM slika tridimenzionalne rože SiC nanožice

Delovanje nanomaterialov SiC

SiC nanomateriali so napreden keramični material z odličnimi zmogljivostmi, ki ima dobre fizikalne, kemične, električne in druge lastnosti.

✔ Fizikalne lastnosti

Visoka trdota: mikrotrdota nano-silicijevega karbida je med korundom in diamantom, njegova mehanska trdnost pa je višja kot pri korundu. Ima visoko odpornost proti obrabi in dobro samomazanje.

Visoka toplotna prevodnost: Nano-silicijev karbid ima odlično toplotno prevodnost in je odličen toplotno prevoden material.

Nizek koeficient toplotnega raztezanja: To omogoča, da nano-silicijev karbid ohrani stabilno velikost in obliko v pogojih visoke temperature.

Visoka specifična površina: ena od značilnosti nanomaterialov je ugodna za izboljšanje njihove površinske aktivnosti in reakcijske učinkovitosti.

✔ Kemijske lastnosti

Kemijska stabilnost: Nano-silicijev karbid ima stabilne kemične lastnosti in lahko ohrani svojo učinkovitost nespremenjeno v različnih okoljih.

Antioxidation: It can resist oxidation at high temperatures and exhibits excellent high temperature resistance.

✔Električne lastnosti

Visok pasovni razmik: zaradi velikega pasovnega razmika je idealen material za izdelavo visokofrekvenčnih, zmogljivih in nizkoenergijskih elektronskih naprav.

Visoka mobilnost nasičenosti elektronov: spodbuja hiter prenos elektronov.

✔Druge značilnosti

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

Dobre mehanske lastnosti: Ima odlične mehanske lastnosti, kot je visok modul elastičnosti.

Uporaba SiC nanomaterialov

Elektronika in polprevodniške naprave: Zaradi odličnih elektronskih lastnosti in visokotemperaturne stabilnosti se nano-silicijev karbid pogosto uporablja v elektronskih komponentah visoke moči, visokofrekvenčnih napravah, optoelektronskih komponentah in na drugih področjih. Hkrati je tudi eden izmed idealnih materialov za izdelavo polprevodniških naprav.

Optične aplikacije: Nano-silicijev karbid ima široko pasovno režo in odlične optične lastnosti ter se lahko uporablja za izdelavo visoko zmogljivih laserjev, LED, fotovoltaičnih naprav itd.

Mehanski deli: Z izkoriščanjem svoje visoke trdote in odpornosti proti obrabi ima nano-silicijev karbid širok spekter uporabe pri izdelavi mehanskih delov, kot so visokohitrostna rezalna orodja, ležaji, mehanska tesnila itd., ki lahko močno izboljšajo obrabo odpornost in življenjska doba delov.

Nanokompozitni materiali: Nano-silicijev karbid je mogoče kombinirati z drugimi materiali v nanokompozite za izboljšanje mehanskih lastnosti, toplotne prevodnosti in odpornosti proti koroziji materiala. Ta nanokompozitni material se pogosto uporablja v vesoljski industriji, avtomobilski industriji, energetiki itd.

Visokotemperaturni strukturni materiali: Nanosilicijev karbidima odlično stabilnost pri visokih temperaturah in odpornost proti koroziji ter se lahko uporablja v okoljih z ekstremno visokimi temperaturami. Zato se uporablja kot visokotemperaturni konstrukcijski material v letalstvu, petrokemiji, metalurgiji in na drugih področjih, kot je proizvodnjavisokotemperaturne peči, cevi za peč, obloge peči itd.

Druge aplikacije: Nanosilicijev karbid se uporablja tudi pri shranjevanju vodika, fotokatalizi in zaznavanju, kar kaže široke možnosti uporabe.