Nanomateriale din carbură de siliciu

Nanomateriale din carbură de siliciu

Nanomaterialele din carbură de siliciu (nanomateriale SiC) se referă la materiale compuse dincarbură de siliciu (SiC)cu cel puțin o dimensiune la scara nanometrică (definită de obicei ca 1-100 nm) în spațiul tridimensional. Nanomaterialele din carbură de siliciu pot fi clasificate în structuri zero-dimensionale, unidimensionale, bidimensionale și tridimensionale în funcție de structura lor.

Nanostructuri zero-dimensionalesunt structuri ale căror toate dimensiunile sunt la scara nanometrică, incluzând în principal nanocristale solide, nanosfere goale, nanocagii goale și nanosfere cu coajă de miez.

Nanostructuri unidimensionalese referă la structuri în care două dimensiuni sunt limitate la scara nanometrică în spațiul tridimensional. Această structură are multe forme, inclusiv nanofire (centru solid), nanotuburi (centru gol), nanocentri sau nanocentri (secțiune transversală dreptunghiulară îngustă) și nanoprisme (secțiune transversală în formă de prismă). Această structură a devenit centrul cercetării intensive datorită aplicațiilor sale unice în fizica mezoscopică și fabricarea dispozitivelor la scară nanometrică. De exemplu, purtătorii din nanostructurile unidimensionale se pot propaga doar într-o singură direcție a structurii (adică direcția longitudinală a nanofirului sau nanotubului) și pot fi utilizați ca interconexiuni și dispozitive cheie în nanoelectronică.

Nanostructuri bidimensionale, care au o singură dimensiune la scară nanometrică, de obicei perpendiculară pe planul stratului lor, cum ar fi nanofoile, nanofoile, nanofoile și nanosferele, au primit recent o atenție specială, nu numai pentru înțelegerea de bază a mecanismului lor de creștere, ci și pentru explorarea potențialului lor. aplicații în emițători de lumină, senzori, celule solare etc.

Nanostructuri tridimensionalesunt de obicei numite nanostructuri complexe, care sunt formate dintr-o colecție de una sau mai multe unități structurale de bază în zero-dimensionale, unidimensionale și bidimensionale (cum ar fi nanofirele sau nanorodurile conectate prin joncțiuni de un singur cristal) și dimensiunile lor geometrice generale. sunt la scara nanometrică sau micrometrică. Astfel de nanostructuri complexe cu suprafață mare pe unitate de volum oferă multe avantaje, cum ar fi căi optice lungi pentru absorbția eficientă a luminii, transfer rapid de sarcină interfacială și capacități de transport reglabile ale sarcinii. Aceste avantaje permit nanostructurilor tridimensionale să avanseze proiectarea în viitoarele aplicații de conversie și stocare a energiei. De la structurile 0D la 3D, o mare varietate de nanomateriale au fost studiate și introduse treptat în industrie și viața de zi cu zi.

Metode de sinteză a nanomaterialelor SiC

Materialele zero-dimensionale pot fi sintetizate prin metoda de topire la cald, metoda de gravare electrochimica, metoda piroliza cu laser etc.SiC solidnanocristale variind de la câțiva nanometri la zeci de nanometri, dar sunt de obicei pseudo-sferice, așa cum se arată în Figura 1.

Figura 1 Imagini TEM ale nanocristalelor β-SiC preparate prin diferite metode

(a) Sinteză solvotermă[34]; (B) Metoda de gravare electrochimică[35]; (c) Prelucrare termică[48]; (d) Piroliza cu laser[49]

Dasog et al. au sintetizat nanocristale β-SiC sferice cu dimensiune controlabilă și structură clară prin reacție de dublă descompunere în stare solidă între pulberile de SiO2, Mg și C[55], așa cum se arată în Figura 2.

Figura 2 Imagini FESEM ale nanocristalelor sferice de SiC cu diametre diferite[55]

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

Metoda fazei de vapori pentru creșterea nanofirelor SiC. Sinteza în fază gazoasă este cea mai matură metodă de formare a nanofirelor de SiC. Într-un proces tipic, substanțele de vapori utilizate ca reactanți pentru a forma produsul final sunt generate prin evaporare, reducere chimică și reacție gazoasă (care necesită temperatură ridicată). Deși temperatura ridicată crește consumul suplimentar de energie, nanofirele de SiC cultivate prin această metodă au de obicei o integritate ridicată a cristalului, nanofirele/nanorodulele clare, nanoprisme, nanoneedle, nanotuburi, nanocentri, nanocable etc., așa cum se arată în Figura 3.

Figura 3 Morfologii tipice ale nanostructurilor SiC unidimensionale 

(a) Rețele de nanofire pe fibre de carbon; (b) Nanofire ultralungi pe bile Ni-Si; (c) nanofire; (d) Nanoprisme; (e) Nanobambus; (f) Nanoneedles; (g) Nanobones; (h) nanolanțuri; (i) Nanotuburi

Metodă de soluție pentru prepararea nanofirelor de SiC. Metoda soluției este utilizată pentru prepararea nanofirelor de SiC, care reduce temperatura de reacție. Metoda poate include cristalizarea unui precursor de fază de soluție prin reducerea chimică spontană sau alte reacții la o temperatură relativ blândă. Ca reprezentanți ai metodei soluției, sinteza solvotermală și sinteza hidrotermală au fost utilizate în mod obișnuit pentru a obține nanofire de SiC la temperaturi scăzute.

Nanomaterialele bidimensionale pot fi preparate prin metode solvotermale, lasere pulsate, reducere termică cu carbon, exfoliere mecanică și îmbunătățire cu plasmă cu microundeCVD. Ho și colab. a realizat o nanostructură 3D SiC sub forma unei floare de nanofire, așa cum se arată în Figura 4. Imaginea SEM arată că structura asemănătoare unei flori are un diametru de 1-2 μm și o lungime de 3-5 μm.

Figura 4 Imaginea SEM a unei flori tridimensionale de nanofir SiC

Performanța nanomaterialelor SiC

Nanomaterialele SiC sunt un material ceramic avansat cu performanțe excelente, care are proprietăți fizice, chimice, electrice și alte proprietăți bune.

✔ Proprietăți fizice

Duritate ridicată: microduritatea carburii de nano-siliciu este între corindon și diamant, iar rezistența sa mecanică este mai mare decât cea a corindonului. Are rezistență ridicată la uzură și auto-ungere bună.

Conductivitate termică ridicată: carbura de nano-siliciu are o conductivitate termică excelentă și este un material termoconductor excelent.

Coeficient scăzut de dilatare termică: Acest lucru permite carburii de nano-siliciu să mențină o dimensiune și o formă stabile în condiții de temperatură ridicată.

Suprafață specifică mare: una dintre caracteristicile nanomaterialelor, este favorabilă îmbunătățirii activității sale de suprafață și a performanței de reacție.

✔ Proprietăți chimice

Stabilitate chimică: carbura de nano-siliciu are proprietăți chimice stabile și își poate menține performanța neschimbată în diferite medii.

Antioxidare: poate rezista la oxidare la temperaturi ridicate și prezintă o rezistență excelentă la temperaturi ridicate.

✔Proprietăți electrice

Bandgap mare: bandgap mare îl face un material ideal pentru fabricarea de dispozitive electronice de înaltă frecvență, de mare putere și cu consum redus de energie.

Mobilitate mare de saturație a electronilor: este propice pentru transmiterea rapidă a electronilor.

✔Alte caracteristici

Rezistență puternică la radiații: poate menține performanța stabilă într-un mediu cu radiații.

Proprietăți mecanice bune: Are proprietăți mecanice excelente, cum ar fi modulul elastic ridicat.

Aplicarea nanomaterialelor SiC

Dispozitive electronice și semiconductoare: Datorită proprietăților sale electronice excelente și stabilității la temperaturi ridicate, carbura de nano-siliciu este utilizată pe scară largă în componente electronice de mare putere, dispozitive de înaltă frecvență, componente optoelectronice și alte domenii. În același timp, este și unul dintre materialele ideale pentru fabricarea dispozitivelor semiconductoare.

Aplicatii optice: Carbura de nano-siliciu are un bandgap larg și proprietăți optice excelente și poate fi folosită pentru fabricarea de lasere de înaltă performanță, LED-uri, dispozitive fotovoltaice etc.

Piese mecanice: Profitând de duritatea ridicată și rezistența la uzură, carbura de nano-siliciu are o gamă largă de aplicații în fabricarea de piese mecanice, cum ar fi scule de tăiere de mare viteză, rulmenți, etanșări mecanice etc., care pot îmbunătăți foarte mult uzura rezistența și durata de viață a pieselor.

Materiale nanocompozite: Carbura de nano-siliciu poate fi combinată cu alte materiale pentru a forma nanocompozite pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice, conductivitatea termică și rezistența la coroziune a materialului. Acest material nanocompozit este utilizat pe scară largă în industria aerospațială, industria auto, domeniul energetic etc.

Materiale structurale la temperaturi ridicate: Nanocarbură de siliciuare stabilitate excelentă la temperatură ridicată și rezistență la coroziune și poate fi utilizat în medii cu temperaturi extrem de ridicate. Prin urmare, este utilizat ca material structural la temperatură înaltă în industria aerospațială, petrochimică, metalurgie și în alte domenii, cum ar fi producția.cuptoare de înaltă temperatură, tuburi de cuptor, căptușeli ale cuptorului etc.

Alte aplicații: Nanocarbura de siliciu este utilizată și în stocarea hidrogenului, fotocataliza și detectarea, arătând perspective largi de aplicare.