Наноматериали от силициев карбид

Наноматериали от силициев карбид

Наноматериалите от силициев карбид (SiC наноматериали) се отнасят за материали, съставени отсилициев карбид (SiC)с поне едно измерение в нанометровата скала (обикновено дефинирана като 1-100nm) в триизмерното пространство. Наноматериалите от силициев карбид могат да бъдат класифицирани в нулево-измерни, едноизмерни, двуизмерни и триизмерни структури според тяхната структура.

Нулево-измерни наноструктуриса структури, чиито всички размери са в нанометрова скала, включително главно твърди нанокристали, кухи наносфери, кухи наноклетки и наносфери със сърцевина и обвивка.

Едномерни наноструктурисе отнасят до структури, в които две измерения са ограничени до нанометрова скала в триизмерното пространство. Тази структура има много форми, включително нанопроводници (твърд център), нанотръби (кух център), наноремъци или наноремъци (тясно правоъгълно напречно сечение) и нанопризми (напречно сечение във формата на призма). Тази структура се превърна във фокуса на интензивни изследвания поради уникалните си приложения в мезоскопската физика и производството на наномащабни устройства. Например носителите в едномерните наноструктури могат да се разпространяват само в една посока на структурата (т.е. надлъжната посока на нанопровода или нанотръбата) и могат да се използват като свързващи елементи и ключови устройства в наноелектрониката.

Двумерни наноструктури, които имат само едно измерение в наномащаба, обикновено перпендикулярно на равнината на техния слой, като нанолистове, нанолистове, нанолистове и наносфери, получиха специално внимание наскоро, не само за основното разбиране на техния механизъм на растеж, но и за изследване на техния потенциал приложения в светлинни излъчватели, сензори, слънчеви клетки и др.

Триизмерни наноструктуриобикновено се наричат ​​сложни наноструктури, които се образуват от съвкупност от една или повече основни структурни единици в нулево, едномерно и двумерно (като нанопроводници или нанопръчки, свързани с монокристални връзки), и техните общи геометрични размери са в нанометрова или микрометрова скала. Такива сложни наноструктури с висока повърхност на единица обем осигуряват много предимства, като дълги оптични пътища за ефективно поглъщане на светлина, бърз междуфазов трансфер на заряд и регулируеми възможности за транспортиране на заряд. Тези предимства позволяват на триизмерните наноструктури да усъвършенстват дизайна в бъдещи приложения за преобразуване и съхранение на енергия. От 0D до 3D структури, голямо разнообразие от наноматериали са изследвани и постепенно въведени в индустрията и ежедневието.

Методи за синтез на SiC наноматериали

Материалите с нулево измерение могат да бъдат синтезирани чрез метод на горещо стопяване, метод на електрохимично ецване, метод на лазерна пиролиза и др., за да се получиSiC твърдо веществонанокристали, вариращи от няколко нанометра до десетки нанометри, но обикновено са псевдосферични, както е показано на фигура 1.

Фигура 1 TEM изображения на β-SiC нанокристали, получени по различни методи

(a) Солвотермален синтез[34]; (B) Електрохимичен метод на ецване [35]; в) Термична обработка[48]; г) Лазерна пиролиза[49]

Dasog и др. синтезирани сферични β-SiC нанокристали с контролируем размер и ясна структура чрез реакция на двойно разлагане в твърдо състояние между SiO2, Mg и C прахове [55], както е показано на Фигура 2.

Фигура 2 FESEM изображения на сферични SiC нанокристали с различни диаметри [55]

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

Метод на парна фаза за отглеждане на SiC нанопроводници. Синтезът в газова фаза е най-зрелият метод за формиране на SiC нанопроводници. В типичен процес, парообразните вещества, използвани като реагенти за образуване на крайния продукт, се генерират чрез изпаряване, химическа редукция и газообразна реакция (изискваща висока температура). Въпреки че високата температура увеличава допълнителната консумация на енергия, SiC нанопроводниците, отгледани по този метод, обикновено имат висока кристална цялост, прозрачни нанопроводници/нанопръчки, нанопризми, наноигли, нанотръби, наноремъци, нанокабели и т.н., както е показано на фигура 3.

Фигура 3 Типични морфологии на едномерни SiC наноструктури 

а) Решетки от нанопроводници върху въглеродни влакна; (b) Свръхдълги нанопроводници върху Ni-Si топки; в) нанопроводници; (d) Нанопризми; д) нанобамбук; е) наноигли; (ж) нанокости; з) нановериги; (i) Нанотръби

Метод на разтвор за получаване на SiC нанопроводници. Методът на разтвора се използва за получаване на SiC нанопроводници, което намалява температурата на реакцията. Методът може да включва кристализиране на прекурсор на фаза на разтвор чрез спонтанна химическа редукция или други реакции при относително лека температура. Като представители на метода на разтвора, солвотермалния синтез и хидротермалния синтез обикновено се използват за получаване на SiC нанопроводници при ниски температури.

Двуизмерните наноматериали могат да бъдат получени чрез солвотермални методи, импулсни лазери, въглеродна термична редукция, механично ексфолиране и микровълнова плазмаССЗ. Ho et al. реализира 3D SiC наноструктура във формата на цвете от нанотел, както е показано на Фигура 4. SEM изображението показва, че подобната на цвете структура има диаметър 1-2 μm и дължина 3-5 μm.

Фигура 4 SEM изображение на триизмерно цвете от SiC нанотел

Ефективност на SiC наноматериали

SiC наноматериалите са усъвършенстван керамичен материал с отлична производителност, който има добри физични, химични, електрически и други свойства.

✔ Физични свойства

Висока твърдост: Микротвърдостта на нано-силициевия карбид е между корунда и диаманта и неговата механична якост е по-висока от тази на корунда. Има висока устойчивост на износване и добро самосмазване.

Висока топлопроводимост: Нано-силициевият карбид има отлична топлопроводимост и е отличен топлопроводим материал.

Нисък коефициент на топлинно разширение: Това позволява на нано-силициевия карбид да поддържа стабилен размер и форма при условия на висока температура.

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

✔ Химични свойства

Химическа стабилност: Нано-силициевият карбид има стабилни химични свойства и може да поддържа работата си непроменена при различни среди.

Антиоксидация: Може да устои на окисляване при високи температури и проявява отлична устойчивост на висока температура.

✔Електрически свойства

Голяма ширина на лентата: Голямата ширина на лентата я прави идеален материал за производство на високочестотни, високомощни и нискоенергийни електронни устройства.

Висока подвижност на насищане с електрони: благоприятства бързото предаване на електрони.

✔Други характеристики

Силна устойчивост на радиация: Може да поддържа стабилна производителност в радиационна среда.

Добри механични свойства: Има отлични механични свойства като висок модул на еластичност.

Приложение на SiC наноматериали

Електроника и полупроводникови устройства: Благодарение на своите отлични електронни свойства и стабилност при висока температура, нано-силициевият карбид се използва широко в електронни компоненти с висока мощност, високочестотни устройства, оптоелектронни компоненти и други области. В същото време той е и един от идеалните материали за производство на полупроводникови устройства.

Оптични приложения: Нано-силициевият карбид има широк обхват и отлични оптични свойства и може да се използва за производство на високоефективни лазери, светодиоди, фотоволтаични устройства и др.

Механични части: Възползвайки се от високата си твърдост и устойчивост на износване, нано-силициевият карбид има широк спектър от приложения в производството на механични части, като високоскоростни режещи инструменти, лагери, механични уплътнения и др., което може значително да подобри износването устойчивост и експлоатационен живот на частите.

Нанокомпозитни материали: Нано-силициевият карбид може да се комбинира с други материали за образуване на нанокомпозити за подобряване на механичните свойства, топлопроводимостта и устойчивостта на корозия на материала. Този нанокомпозитен материал се използва широко в космическата, автомобилната индустрия, енергетиката и др.

Високотемпературни структурни материали: Наносилициев карбидима отлична стабилност при висока температура и устойчивост на корозия и може да се използва в среда с екстремни високи температури. Следователно, той се използва като високотемпературен структурен материал в аерокосмическата, нефтохимическата, металургичната и други области, като например производствотовисокотемпературни пещи, пещни тръби, облицовки на пещи и др.

Други приложения: Нано силициевият карбид се използва и при съхранение на водород, фотокатализа и сензори, което показва широки перспективи за приложение.