Nanomateriály karbidu kremíka

Nanomateriály karbidu kremíka

Nanomateriály karbidu kremíka (nanomateriály SiC) označujú materiály zložené zkarbid kremíka (SiC)s aspoň jedným rozmerom v nanometrovej stupnici (zvyčajne definovaná ako 1-100 nm) v trojrozmernom priestore. Nanomateriály karbidu kremíka možno podľa ich štruktúry rozdeliť na nulové, jednorozmerné, dvojrozmerné a trojrozmerné štruktúry.

Nultorozmerné nanoštruktúrysú štruktúry, ktorých všetky rozmery sú v nanometrovej mierke, najmä vrátane pevných nanokryštálov, dutých nanoguľôčok, dutých nanoguľôčok a nanosfér s jadrom a obalom.

Jednorozmerné nanoštruktúryoznačujú štruktúry, v ktorých sú dva rozmery obmedzené na nanometrovú mierku v trojrozmernom priestore. Táto štruktúra má mnoho podôb, vrátane nanodrôtov (plný stred), nanorúriek (dutý stred), nanopásov alebo nanopásov (úzky obdĺžnikový prierez) a nanohranolov (prierez v tvare hranola). Táto štruktúra sa stala stredobodom intenzívneho výskumu vďaka svojim jedinečným aplikáciám v mezoskopickej fyzike a výrobe zariadení v nanometroch. Napríklad nosiče v jednorozmerných nanoštruktúrach sa môžu šíriť iba v jednom smere štruktúry (t. j. v pozdĺžnom smere nanovlákna alebo nanotrubice) a môžu byť použité ako prepojenia a kľúčové zariadenia v nanoelektronike.

Dvojrozmerné nanoštruktúry, ktoré majú iba jeden rozmer v nanoúrovni, zvyčajne kolmý na rovinu svojej vrstvy, ako sú nanovrstvy, nanovrstvy, nanovrstvy a nanosféry, sa v poslednej dobe venovali osobitnej pozornosti, a to nielen kvôli základnému pochopeniu mechanizmu ich rastu, ale aj kvôli skúmaniu ich potenciálu. aplikácie v svetelných žiaričoch, senzoroch, solárnych článkoch atď.

Trojrozmerné nanoštruktúrysa zvyčajne nazývajú komplexné nanoštruktúry, ktoré sú tvorené súborom jednej alebo viacerých základných štruktúrnych jednotiek v nulových, jednorozmerných a dvojrozmerných rozmeroch (ako sú nanodrôty alebo nanorety spojené monokryštálovými spojeniami) a ich celkovými geometrickými rozmermi sú na stupnici nanometrov alebo mikrometrov. Takéto komplexné nanoštruktúry s vysokou povrchovou plochou na jednotku objemu poskytujú mnoho výhod, ako sú dlhé optické dráhy pre efektívnu absorpciu svetla, rýchly medzifázový prenos náboja a laditeľné možnosti prenosu náboja. Tieto výhody umožňujú trojrozmerným nanoštruktúram posunúť dizajn v budúcich aplikáciách na konverziu a ukladanie energie. Od 0D po 3D štruktúry bola študovaná široká škála nanomateriálov, ktoré sa postupne zavádzali do priemyslu a každodenného života.

Metódy syntézy SiC nanomateriálov

Materiály s nulovým rozmerom je možné syntetizovať metódou horúcej taveniny, metódou elektrochemického leptania, metódou laserovej pyrolýzy atď.SiC pevná látkananokryštály v rozmedzí od niekoľkých nanometrov do desiatok nanometrov, ale zvyčajne sú pseudosférické, ako je znázornené na obrázku 1.

Obrázok 1 TEM snímky β-SiC nanokryštálov pripravených rôznymi metódami

(a) Solvotermálna syntéza[34]; (B) metóda elektrochemického leptania[35]; c) tepelné spracovanie[48]; d) Laserová pyrolýza[49]

Dasog a kol. syntetizované sférické β-SiC nanokryštály s kontrolovateľnou veľkosťou a čírou štruktúrou reakciou dvojitého rozkladu v tuhom stave medzi práškami SiO2, Mg a C[55], ako je znázornené na obrázku 2.

Obrázok 2 FESEM snímky sférických nanokryštálov SiC s rôznymi priemermi[55]

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

Metóda parnej fázy na pestovanie SiC nanodrôtov. Syntéza v plynnej fáze je najvyspelejšou metódou na vytváranie SiC nanodrôtov. V typickom procese sa parné látky používané ako reaktanty na vytvorenie konečného produktu vytvárajú odparovaním, chemickou redukciou a plynnou reakciou (vyžadujúcou vysokú teplotu). Aj keď vysoká teplota zvyšuje dodatočnú spotrebu energie, nanodrôty SiC pestované touto metódou majú zvyčajne vysokú kryštálovú integritu, číre nanodrôty/nanorety, nanohranoly, nanoihly, nanorúrky, nanopásy, nanokáble atď., ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3 Typické morfológie jednorozmerných nanoštruktúr SiC 

a) nanodrôtové polia na uhlíkových vláknach; b) ultradlhé nanodrôty na guľôčkach Ni-Si; c) nanovlákna; (d) nanohranoly; (e) nanobambus; f) nanoihly; g) nanokosti; h) nanoreťaze; (i) Nanorúrky

Roztoková metóda na prípravu SiC nanodrôtov. Na prípravu SiC nanodrôtov sa používa roztoková metóda, ktorá znižuje reakčnú teplotu. Spôsob môže zahŕňať kryštalizáciu prekurzora v roztoku prostredníctvom spontánnej chemickej redukcie alebo iných reakcií pri relatívne miernej teplote. Ako zástupcovia roztokovej metódy sa solvotermálna syntéza a hydrotermálna syntéza bežne používajú na získanie SiC nanodrôtov pri nízkych teplotách.

Dvojrozmerné nanomateriály môžu byť pripravené solvotermálnymi metódami, pulznými lasermi, uhlíkovou tepelnou redukciou, mechanickou exfoliáciou a mikrovlnnou plazmou.CVD. Ho a spol. realizovali 3D SiC nanoštruktúru v tvare nanodrôtového kvetu, ako je znázornené na obrázku 4. Obrázok SEM ukazuje, že štruktúra podobná kvetu má priemer 1-2 μm a dĺžku 3-5 μm.

Obrázok 4 SEM obrázok trojrozmerného kvetu z nanovlákna SiC

Výkon nanomateriálov SiC

SiC nanomateriály sú pokročilý keramický materiál s vynikajúcim výkonom, ktorý má dobré fyzikálne, chemické, elektrické a iné vlastnosti.

✔ Fyzikálne vlastnosti

Vysoká tvrdosť: Mikrotvrdosť nano-karbidu kremíka je medzi korundom a diamantom a jeho mechanická pevnosť je vyššia ako u korundu. Má vysokú odolnosť proti opotrebeniu a dobré samomazanie.

Vysoká tepelná vodivosť: Nano-karbid kremíka má vynikajúcu tepelnú vodivosť a je to vynikajúci tepelne vodivý materiál.

Nízky koeficient tepelnej rozťažnosti: To umožňuje nanokarbidu kremíka zachovať si stabilnú veľkosť a tvar pri vysokých teplotách.

Vysoký špecifický povrch: Jedna z charakteristík nanomateriálov prispieva k zlepšeniu ich povrchovej aktivity a reakčného výkonu.

✔ Chemické vlastnosti

Chemická stabilita: Karbid nano-kremíku má stabilné chemické vlastnosti a dokáže si zachovať svoj výkon nezmenený v rôznych prostrediach.

Antioxidácia: Môže odolávať oxidácii pri vysokých teplotách a vykazuje vynikajúcu odolnosť voči vysokým teplotám.

✔Elektrické vlastnosti

Vysoká bandgap: Vysoká bandgap z nej robí ideálny materiál na výrobu vysokofrekvenčných, vysokovýkonných a nízkoenergetických elektronických zariadení.

Vysoká pohyblivosť saturácie elektrónov: Prispieva k rýchlemu prenosu elektrónov.

✔Iné vlastnosti

Silná odolnosť voči žiareniu: Môže udržiavať stabilný výkon v radiačnom prostredí.

Dobré mechanické vlastnosti: Má vynikajúce mechanické vlastnosti, ako je vysoký modul pružnosti.

Aplikácia nanomateriálov SiC

Elektronika a polovodičové zariadenia: Vďaka svojim vynikajúcim elektronickým vlastnostiam a vysokoteplotnej stabilite je nanokarbid kremíka široko používaný vo vysokovýkonných elektronických súčiastkach, vysokofrekvenčných zariadeniach, optoelektronických súčiastkach a iných oblastiach. Zároveň je to aj jeden z ideálnych materiálov na výrobu polovodičových súčiastok.

Optické aplikácie: Nano-karbid kremíka má široké pásmo a vynikajúce optické vlastnosti a možno ho použiť na výrobu vysokovýkonných laserov, LED diód, fotovoltaických zariadení atď.

Mechanické časti: Vďaka svojej vysokej tvrdosti a odolnosti proti opotrebeniu má nanokarbid kremíka širokú škálu aplikácií pri výrobe mechanických častí, ako sú vysokorýchlostné rezné nástroje, ložiská, mechanické upchávky atď., čo môže výrazne zlepšiť opotrebovanie. odolnosť a životnosť dielov.

Nanokompozitné materiály: Nano-karbid kremíka je možné kombinovať s inými materiálmi za vzniku nanokompozitov na zlepšenie mechanických vlastností, tepelnej vodivosti a odolnosti materiálu proti korózii. Tento nanokompozitný materiál je široko používaný v letectve, automobilovom priemysle, energetike atď.

Vysokoteplotné konštrukčné materiály: Nanokarbid kremíkamá vynikajúcu stabilitu pri vysokej teplote a odolnosť proti korózii a môže byť použitý v prostredí s extrémne vysokou teplotou. Preto sa používa ako vysokoteplotný konštrukčný materiál v kozmickom, petrochemickom, metalurgickom a iných oblastiach, ako je výrobavysokoteplotné pece, rúry pece, obloženia pecí atď.

Iné aplikácie: Nanokarbid kremíka sa používa aj pri skladovaní vodíka, fotokatalýze a snímaní, čo má široké uplatnenie.