Наноматериали от силициев карбид

Наноматериали от силициев карбид

Наноматериалите на силициев карбид (SIC наноматериали) се отнасят до материали, съставени отсилициев карбид (sic)с поне едно измерение в нанометровата скала (обикновено дефинирана като 1-100 nm) в триизмерно пространство. Наноматериалите на силициевия карбид могат да бъдат класифицирани в нулево измерение, едномерни, двуизмерни и триизмерни структури според тяхната структура.

Нулево измерение наноструктуриса структури, чиито всички размери са в нанометровата скала, главно включително твърди нанокристали, кухи наносфери, кухи нанокажи и наносфери на ядрото.

Едномерни наноструктуриВижте структури, в които две измерения са ограничени до нанометровата скала в триизмерно пространство. Тази структура има много форми, включително нанопроводници (солиден център), нанотръби (кух център), нанобелти или наноби (тясно правоъгълно напречно сечение) и нанопризми (напречно сечение във формата на призма). Тази структура се превърна във фокус на интензивните изследвания поради уникалните си приложения в мезоскопската физика и производството на наноразмерни устройства. Например носителите в едномерни наноструктури могат да се разпространяват само в една посока на структурата (т.е. надлъжната посока на наноирната или нанотръб) и могат да се използват като взаимовръзки и ключови устройства в наноелектроника.

Двуизмерни наноструктури, които имат само едно измерение в наноразмерния, обикновено перпендикулярно на слойната им равнина, като нанохлатисти, нанохлати, нанохлатисти и наносфери, получиха специално внимание наскоро, не само за основното разбиране на техния механизъм за растеж, но и за изследване на техните потенциални приложения в светлините, сензори, соларни клетки и т.н.

Триизмерни наноструктуриобикновено се наричат ​​сложни наноструктури, които се формират чрез колекция от един или повече основни структурни единици в нулево измерение, едномерно и двумерни (като нанопроводници или нанороди, свързани с единични кристални кръстовища), а общите им геометрични размери са на мащаб на нанометър или микрометър. Такива сложни наноструктури с висока повърхност на обем на единица осигуряват много предимства, като дълги оптични пътища за ефективно усвояване на светлината, бърз междуфазен пренос на заряд и възможности за транспортиране на зареждане. Тези предимства позволяват на триизмерните наноструктури да развият дизайна в бъдещите приложения за преобразуване и съхранение на енергия. От 0D до 3D структури са проучени голямо разнообразие от наноматериали и постепенно въведени в индустрията и ежедневието.

Методи за синтез на SIC наноматериали

Нулевичните материали могат да бъдат синтезирани чрез метод на гореща стопилка, електрохимичен метод за офорт, метод на лазерна пиролиза и др.Sic твърдНанокристалите, вариращи от няколко нанометра до десетки нанометри, но обикновено са псевдо-сферични, както е показано на фигура 1.

Фигура 1 TEM изображения на β-SIC нанокристали, приготвени по различни методи

а) солвотермичен синтез [34]; (Б) метод за електрохимично офорт [35]; в) термична обработка [48]; (D) Лазерна пиролиза [49]

Dasog et al. Синтезирани сферични β-SIC нанокристали с контролируем размер и ясна структура чрез реакция на двойно разлагане на твърдо състояние между SiO2, Mg и C прахове [55], както е показано на фигура 2.

Фигура 2 Изображения на FESEM на сферични SIC нанокристали с различни диаметри [55]

а) 51,3 ± 5,5 nm; Б) 92,8 ± 6,6 nm; в) 278,3 ± 8,2 nm

Метод на фаза на пара за отглеждане на SIC нанопроводници. Синтезът на газовата фаза е най -зрелият метод за образуване на SIC нанопроводници. В типичен процес парите вещества, използвани като реагенти за образуване на крайния продукт, се генерират чрез изпаряване, химическо намаляване и газообразна реакция (изискваща висока температура). Въпреки че високата температура повишава допълнителната консумация на енергия, нанопроводите на SIC, отглеждани по този метод, обикновено имат висока кристална цялост, бистри нанопроводници/нанороди, нанопризми, нанонеедли, нанотръби, нанобелти, нанокабили и т.н., както е показано на фигура 3.

Фигура 3 Типични морфологии на едномерни SIC наноструктури 

а) масиви на нанопровод на въглеродни влакна; (б) ултрафонски нанопроводници на топки Ni-Si; в) нанопроводници; г) нанопризми; (Д) Nanobamboo; е) нанонеели; ж) нанобони; З) наношени; (i) Нанотръби

Метод на решение за получаване на SIC нанопроводници. Методът на разтвора се използва за приготвяне на SIC нанопроводници, което намалява температурата на реакцията. Методът може да включва кристализиране на прекурсора на фазата на разтвора чрез спонтанно химическо намаляване или други реакции при сравнително лека температура. Като представители на метода на разтвора, солвотермичния синтез и хидротермален синтез обикновено се използват за получаване на SIC нанопроводници при ниски температури.

Двуизмерни наноматериали могат да бъдат приготвени чрез солвотермични методи, импулсни лазери, намаляване на топлинните въглеродни, механични ексфолиации и засилена от микровълнова плазмаCVD. Ho et al. реализира 3D SIC наноструктура във формата на цвете на наноуара, както е показано на фигура 4. SEM изображението показва, че цветната структура има диаметър 1-2 μm и дължина 3-5 μm.

Фигура 4 SEM изображение на триизмерно цвете на SIC Nanowire

Изпълнение на SIC наноматериали

SIC наноматериалите са усъвършенстван керамичен материал с отлични характеристики, който има добри физически, химически, електрически и други свойства.

✔ Физически свойства

Висока твърдост: Микрохардостта на наносиликонния карбид е между корунд и диамант, а механичната му якост е по-висока от тази на корунд. Той има висока устойчивост на износване и добро самоубийство.

Висока термична проводимост: Наносиликон карбид има отлична топлопроводимост и е отличен термичен проводим материал.

Коефициент на ниско термично разширяване: Това позволява наносиликонов карбид да поддържа стабилен размер и форма при условия на висока температура.

Висока специфична повърхност: Една от характеристиките на наноматериалите, тя е благоприятна за подобряване на неговата повърхностна активност и реакция.

✔ Химични свойства

Химическа стабилност: Наносиликон карбид има стабилни химични свойства и може да поддържа работата си непроменена в различни среди.

Антиоксидация: Тя може да устои на окисляването при високи температури и показва отлична висока температурна устойчивост.

✔Електрически свойства

Висока лента: Високата лента го прави идеален материал за изработка на високочестотни, високоевременни и нискоенергийни електронни устройства.

Висока мобилност на насищане на електроните: Това е благоприятно за бързото предаване на електрони.

✔Други характеристики

Силна радиационна устойчивост: Тя може да поддържа стабилна работа в радиационна среда.

Добри механични свойства: Той има отлични механични свойства като висок еластичен модул.

Прилагане на SIC наноматериали

Електрониката и полупроводниковите устройства: Поради отличните си електронни свойства и високотемпературната стабилност, нано-силициев карбид се използва широко в електронни компоненти с висока мощност, високочестотни устройства, оптоелектронни компоненти и други полета. В същото време той е и един от идеалните материали за производство на полупроводникови устройства.

Оптични приложения: Nano-Silicon Carbide има широка лента и отлични оптични свойства и може да се използва за производство на високоефективни лазери, светодиоди, фотоволтаични устройства и т.н.

Механични части: Възползвайки се от високата си твърдост и устойчивост на износване, Nano-Silicon Carbide има широк спектър от приложения в производството на механични части, като високоскоростни инструменти за рязане, лагери, механични уплътнения и др., Които могат значително да подобрят устойчивостта на износване и експлоатационния живот на частите.

Нанокомпозитни материали: Нано-силициев карбид може да се комбинира с други материали, за да образува нанокомпозити за подобряване на механичните свойства, термичната проводимост и устойчивостта на корозия на материала. Този нанокомпозитен материал се използва широко в аерокосмическото, автомобилната индустрия, енергийното поле и др.

Високотемпературни структурни материали: Наносилициев карбидИма отлична висока температурна стабилност и устойчивост на корозия и може да се използва в екстремни високотемпературни среди. Следователно той се използва като структурен материал с висока температура в аерокосмическото, нефтохимическо, металургия и други области, като производствоПещи с висока температура, пещ тръби, пещ облицовки и т.н.

Други приложения: Нано силиконов карбид също се използва при съхранение на водород, фотокатализа и сензор, показвайки широки перспективи за приложение.