Silisiumkarbid nanomaterialer

Silisiumkarbid nanomaterialer

Silisiumkarbid nanomaterialer (SiC nanomaterialer) refererer til materialer sammensatt avsilisiumkarbid (SiC)med minst én dimensjon i nanometerskalaen (vanligvis definert som 1-100nm) i tredimensjonalt rom. Silisiumkarbid nanomaterialer kan klassifiseres i nulldimensjonale, endimensjonale, todimensjonale og tredimensjonale strukturer i henhold til deres struktur.

Nulldimensjonale nanostrukturerer strukturer hvis alle dimensjoner er på nanometerskalaen, hovedsakelig inkludert solide nanokrystaller, hule nanosfærer, hule nanocages og kjerne-skall nanosfærer.

Endimensjonale nanostrukturerrefererer til strukturer der to dimensjoner er begrenset til nanometerskalaen i tredimensjonalt rom. Denne strukturen har mange former, inkludert nanotråder (solid senter), nanorør (hult senter), nanobelter eller nanobelter (smalt rektangulært tverrsnitt) og nanoprismer (prismeformet tverrsnitt). Denne strukturen har blitt fokus for intensiv forskning på grunn av dens unike anvendelser innen mesoskopisk fysikk og nanoskala-enhetsproduksjon. For eksempel kan bærere i endimensjonale nanostrukturer bare forplante seg i én retning av strukturen (dvs. lengderetningen til nanotråden eller nanorøret), og kan brukes som sammenkoblinger og nøkkelenheter i nanoelektronikk.

Todimensjonale nanostrukturer, som bare har én dimensjon på nanoskalaen, vanligvis vinkelrett på lagplanet, slik som nanoark, nanoark, nanoark og nanosfærer, har fått spesiell oppmerksomhet nylig, ikke bare for den grunnleggende forståelsen av deres vekstmekanisme, men også for å utforske deres potensiale. applikasjoner i lysgivere, sensorer, solceller, etc.

Tredimensjonale nanostrukturerkalles vanligvis komplekse nanostrukturer, som er dannet av en samling av en eller flere grunnleggende strukturelle enheter i nulldimensjonale, endimensjonale og todimensjonale (som nanotråder eller nanoroder forbundet med enkeltkrystallkryss), og deres generelle geometriske dimensjoner er på nanometer- eller mikrometerskalaen. Slike komplekse nanostrukturer med høyt overflateareal per volumenhet gir mange fordeler, slik som lange optiske baner for effektiv lysabsorpsjon, rask grensesnittladningsoverføring og avstembare ladningstransportevner. Disse fordelene gjør det mulig for tredimensjonale nanostrukturer å fremme design i fremtidige energikonverterings- og lagringsapplikasjoner. Fra 0D til 3D-strukturer har et bredt utvalg av nanomaterialer blitt studert og gradvis introdusert i industrien og dagliglivet.

Syntesemetoder av SiC nanomaterialer

Nulldimensjonale materialer kan syntetiseres ved hjelp av smeltemetode, elektrokjemisk etsemetode, laserpyrolysemetode, etc. for å oppnåSiC fastnanokrystaller som strekker seg fra noen få nanometer til titalls nanometer, men er vanligvis pseudo-sfæriske, som vist i figur 1.

Figur 1 TEM-bilder av β-SiC nanokrystaller fremstilt ved forskjellige metoder

(a) Solvotermisk syntese[34]; (B) Elektrokjemisk etsemetode[35]; (c) Termisk prosessering[48]; (d) Laserpyrolyse[49]

Dasog et al. syntetiserte sfæriske β-SiC nanokrystaller med kontrollerbar størrelse og klar struktur ved solid-state dobbel dekomponeringsreaksjon mellom SiO2, Mg og C pulvere [55], som vist i figur 2.

Figur 2 FESEM-bilder av sfæriske SiC-nanokrystaller med forskjellige diametre[55]

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

Dampfasemetode for dyrking av SiC nanotråder. Gassfasesyntese er den mest modne metoden for å danne SiC nanotråder. I en typisk prosess genereres dampstoffer som brukes som reaktanter for å danne sluttproduktet ved fordampning, kjemisk reduksjon og gassreaksjon (som krever høy temperatur). Selv om høy temperatur øker ekstra energiforbruk, har SiC nanotrådene dyrket ved denne metoden vanligvis høy krystallintegritet, klare nanotråder/nanostaver, nanoprismer, nanonåler, nanorør, nanobelter, nanokabler, etc., som vist i figur 3.

Figur 3. Typiske morfologier av endimensjonale SiC nanostrukturer 

(a) Nanotrådarrayer på karbonfibre; (b) Ultralange nanotråder på Ni-Si-baller; (c) nanotråder; (d) nanoprismer; (e) nanobambus; (f) nanonåler; (g) nanoben; (h) nanokjeder; (i) Nanorør

Løsningsmetode for fremstilling av SiC nanotråder. Løsningsmetoden brukes til å fremstille SiC nanotråder, som reduserer reaksjonstemperaturen. Metoden kan inkludere krystallisering av en løsningsfaseforløper gjennom spontan kjemisk reduksjon eller andre reaksjoner ved en relativt mild temperatur. Som representanter for løsningsmetoden har solvotermisk syntese og hydrotermisk syntese ofte blitt brukt for å oppnå SiC nanotråder ved lave temperaturer.

Todimensjonale nanomaterialer kan fremstilles ved solvotermiske metoder, pulserende lasere, termisk karbonreduksjon, mekanisk peeling og forbedret mikrobølgeplasmaCVD. Ho et al. realisert en 3D SiC nanostruktur i form av en nanotrådblomst, som vist i figur 4. SEM-bildet viser at den blomsterlignende strukturen har en diameter på 1-2 μm og en lengde på 3-5 μm.

Figur 4 SEM-bilde av en tredimensjonal SiC nanotrådblomst

Ytelse av SiC nanomaterialer

SiC nanomaterialer er et avansert keramisk materiale med utmerket ytelse, som har gode fysiske, kjemiske, elektriske og andre egenskaper.

✔ Fysiske egenskaper

Høy hardhet: Mikrohardheten til nano-silisiumkarbid er mellom korund og diamant, og dens mekaniske styrke er høyere enn korund. Den har høy slitestyrke og god selvsmøring.

Høy varmeledningsevne: Nano-silisiumkarbid har utmerket varmeledningsevne og er et utmerket varmeledende materiale.

Lav termisk ekspansjonskoeffisient: Dette lar nano-silisiumkarbid opprettholde en stabil størrelse og form under høye temperaturforhold.

Høyt spesifikt overflateareal: En av egenskapene til nanomaterialer, bidrar til å forbedre overflateaktiviteten og reaksjonsytelsen.

✔ Kjemiske egenskaper

Kjemisk stabilitet: Nano-silisiumkarbid har stabile kjemiske egenskaper og kan opprettholde ytelsen uendret under ulike miljøer.

Antioksidasjon: Den kan motstå oksidasjon ved høye temperaturer og viser utmerket motstand mot høye temperaturer.

✔Elektriske egenskaper

Høyt båndgap: Det høye båndgapet gjør det til et ideelt materiale for å lage elektroniske enheter med høy frekvens, høy effekt og lavenergi.

Høy elektronmetningsmobilitet: Det bidrar til rask overføring av elektroner.

✔Andre egenskaper

Sterk strålingsmotstand: Den kan opprettholde stabil ytelse i et strålingsmiljø.

Gode ​​mekaniske egenskaper: Den har utmerkede mekaniske egenskaper som høy elastisitetsmodul.

Anvendelse av SiC nanomaterialer

Elektronikk og halvlederenheter: På grunn av sine utmerkede elektroniske egenskaper og høy temperatur stabilitet, er nano-silisiumkarbid mye brukt i høyeffekts elektroniske komponenter, høyfrekvente enheter, optoelektroniske komponenter og andre felt. Samtidig er det også et av de ideelle materialene for produksjon av halvlederenheter.

Optiske applikasjoner: Nano-silisiumkarbid har et bredt båndgap og utmerkede optiske egenskaper, og kan brukes til å produsere høyytelseslasere, lysdioder, solcelleapparater, etc.

Mekaniske deler: Ved å dra nytte av sin høye hardhet og slitestyrke, har nano-silisiumkarbid et bredt spekter av bruksområder i produksjon av mekaniske deler, for eksempel høyhastighets skjæreverktøy, lagre, mekaniske tetninger, etc., som kan forbedre slitasjen betraktelig. delenes motstand og levetid.

Nanokomposittmaterialer: Nano-silisiumkarbid kan kombineres med andre materialer for å danne nanokompositter for å forbedre materialets mekaniske egenskaper, varmeledningsevne og korrosjonsbestandighet. Dette nanokomposittmaterialet er mye brukt i romfart, bilindustri, energifelt, etc.

Høytemperatur strukturelle materialer: Nanosilisiumkarbidhar utmerket høytemperaturstabilitet og korrosjonsbestandighet, og kan brukes i ekstreme høytemperaturmiljøer. Derfor brukes det som et strukturelt materiale med høy temperatur innen romfart, petrokjemisk industri, metallurgi og andre felt, for eksempel produksjonhøytemperaturovner, ovnsrør, ovnsforinger osv.

Andre applikasjoner: Nanosilisiumkarbid brukes også i hydrogenlagring, fotokatalyse og sensing, og viser brede bruksmuligheter.