Kremíkové karbidové nanomateriály

Kremíkové karbidové nanomateriály

Nanomateriály kremíkového karbidu (nanomateriály SIC) sa vzťahujú na materiály zložené zkremíkový karbid (sic)s aspoň jednou dimenziou v nanometrovej stupnici (zvyčajne definovanej ako 1-100 Nm) v trojrozmernom priestore. Nanomateriály karbidu kremíka sa dajú klasifikovať do nulovej dimenzionálnej, jednorozmernej, dvojrozmernej a trojrozmernej štruktúry podľa ich štruktúry.

Nulové nanoštruktúrysú štruktúry, ktorých všetky rozmery sú na nanometrovej stupnici, najmä vrátane tuhých nanokryštálov, dutých nanosfér, dutých nanosféry a nanosfér jadrových škvŕn.

Jednorozmerné nanoštruktúryPozri štruktúry, v ktorých sú dve rozmery obmedzené na stupnicu nanometrov v trojrozmernom priestore. Táto štruktúra má veľa foriem, vrátane nanovlákien (pevné centrum), nanotrubíc (duté centrum), nanobeltov alebo nanobeltov (úzky obdĺžnikový prierez) a nanoprismov (prierez v tvare Prism). Táto štruktúra sa stala stredobodom intenzívneho výskumu vďaka svojim jedinečným aplikáciám vo výrobe mezoskopickej fyziky a výroby zariadení v nanomateriále. Napríklad nosiče v jednorozmerných nanoštruktúrach sa môžu šíriť iba v jednom smere štruktúry (t. J. Pozdĺžne smerovanie nanowire alebo nanotube) a môžu sa použiť ako prepojenia a kľúčové zariadenia v nanoelektronike.

Dvojrozmerné nanoštruktúry, ktoré majú iba jednu dimenziu v nanomateriále, zvyčajne kolmú na svoju vrstvovú rovinu, ako sú nanosheety, nanosheety, nanosheety a nanosféry, nedávno venovali osobitnú pozornosť nielen pre základné porozumenie ich rastového mechanizmu, ale aj pri skúmaní ich potenciálnych aplikácií v svetloch, senzoroch, solárnych bunkách atď.

Trojrozmerné nanoštruktúrysa zvyčajne nazývajú komplexné nanoštruktúry, ktoré sú tvorené zbierkou jednej alebo viacerých základných štrukturálnych jednotiek v nulovom rozmernom, jednorozmernom a dvojrozmernom (ako sú nanomátorstvo alebo nanorody spojené s jednotlivými kryštalickými križovatkami) a ich celkové geometrické rozmery sú na stupnici nanometrov alebo mikrometrov. Takéto zložité nanoštruktúry s vysokým povrchom plochy na jednotku objemu poskytujú mnoho výhod, ako sú dlhé optické cesty pre efektívnu absorpciu svetla, rýchly prenos medzifázových nábojov a laditeľné možnosti prenosu náboja. Tieto výhody umožňujú trojrozmerným nanoštruktúram napredovať v dizajne v budúcich aplikáciách pre konverziu energie a skladovania. Od 0. do 3D štruktúr bolo študovaných a postupne zavádzaných do priemyslu a každodenného života široká škála nanomateriálov.

Metódy syntézy nanomateriálov SIC

Nulové materiály môžu byť syntetizované metódou topenia horúcim tavením, metódou elektrochemického leptania, metódou laserovej pyrolýzy atď. Na získaniePevnýNanokryštály od niekoľkých nanometrov po desiatky nanometrov, ale zvyčajne sú pseudo-sférické, ako je znázornené na obrázku 1.

Obrázok 1 TEM obrazy 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 p-SIC nanokryštály s kontrolovateľnou veľkosťou a jasnou štruktúrou dvojitou rozkladnou reakciou medzi práškami SIO2, MG a C [55], ako je znázornené na obrázku 2.

Obrázok 2 FESEM Obrázky sférických SIC nanokryštálov s rôznymi priemermi [55]

(A) 51,3 ± 5,5 nm; (B) 92,8 ± 6,6 nm; (C) 278,3 ± 8,2 nm

Metóda fázy na pestovanie nanočastíc SIC. Syntéza plynnej fázy je najrečivejšou metódou na vytvorenie nanočastíc SIC. V typickom procese sa látky pary používané ako reaktanty na vytvorenie konečného produktu generované odparovaním, chemickou redukciou a plynnou reakciou (vyžadujúc vysokú teplotu). Aj keď vysoká teplota zvyšuje dodatočnú spotrebu energie, nanočasy SIC pestované touto metódou majú zvyčajne vysokú integritu kryštálov, číre nanovlákna/nanorody, nanoprismy, nanoneedly, nanotrubice, nanobelty, nanokables atď., Ako je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3 Typické morfológie jednorozmerných SIC nanoštruktúr 

a) polia nanowire na uhlíkových vláknach; (B) ultrag nanovlákna na loptičkách ni-Si; c) nanovlákna; d) nanoprismy; E) nanobamboo; f) nanoneedles; g) nanobóny; H) nanochains; i) nanotrubice

Metóda roztoku na prípravu nanovlákna SIC. Metóda roztoku sa používa na prípravu nanočastíc SIC, čo znižuje reakčnú teplotu. Táto metóda môže zahŕňať kryštalizáciu prekurzoru fázy roztoku spontánnou chemickou redukciou alebo inými reakciami pri relatívne miernej teplote. Ako zástupcovia metódy roztoku sa na získanie nanočastíc siC pri nízkych teplotách bežne používajú solvotermálna syntéza a hydrotermálna syntéza.

Dvojrozmerné nanomateriály sa môžu pripraviť solvotermálnymi metódami, pulznými lasermi, tepelnou redukciou uhlíka, mechanickým odlupovaním a mikrovlnnou plazmouCVD. Ho a kol. realizovala 3D SIC nanoštruktúru v tvare kvetu nanovlákna, ako je znázornené na obrázku 4. Obrázok SEM ukazuje, že kvetinová štruktúra má priemer 1-2 μm a dĺžku 3-5 μm.

Obrázok 4 SEM Obrázok trojrozmerného kvetu SIC Nanowire Flower

Výkon nanomateriálov SIC

Nanomateriály SIC sú pokročilým keramickým materiálom s vynikajúcim výkonom, ktorý má dobrý fyzikálny, chemický, elektrický a iné vlastnosti.

✔ Fyzické vlastnosti

Vysoká tvrdosť: Mikrohardnosť karbidu nano-sikronu je medzi korundom a diamantom a jeho mechanická pevnosť je vyššia ako v prípade Corundum. Má vysokú odolnosť voči opotrebeniu a dobrú samovraždenie.

Vysoká tepelná vodivosť: Karbid nano-sikronu má vynikajúcu tepelnú vodivosť a je vynikajúcim tepelným vodivým materiálom.

Koeficient nízkej tepelnej expanzie: To umožňuje karbidu nano-sikronu udržiavať stabilnú veľkosť a tvar v podmienkach vysokej teploty.

Vysoko špecifická plocha povrchu: Jedna z charakteristík nanomateriálov vedie k zlepšeniu jej povrchovej aktivity a reakčnej výkonnosti.

✔ Chemické vlastnosti

Chemická stabilita: Karbid nano-sikronu má stabilné chemické vlastnosti a dokáže udržať svoj výkon nezmenený v rôznych prostrediach.

Antioxidácia: Môže odolávať oxidácii pri vysokých teplotách a vykazuje vynikajúcu vysokú teplotnú odolnosť.

✔Elektrické vlastnosti

High Bandgap: High Bandgap z neho robí ideálny materiál na výrobu vysokofrekvenčných, vysoko výkonných a nízkoenergetických elektronických zariadení.

Vysoká mobilita saturácie elektrónov: vedie k rýchlemu prenosu elektrónov.

✔Ďalšie charakteristiky

Silná odolnosť proti žiareniu: Môže udržať stabilný výkon v radiačnom prostredí.

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

Aplikácia nanomateriálov SIC

Elektronika a polovodičové zariadenia: Vďaka svojim vynikajúcim elektronickým vlastnostiam a vysokej teplote stability sa karbid nano-sikronu široko používa vo vysoko výkonných elektronických komponentoch, vysokofrekvenčných zariadeniach, optoelektronických komponentoch a iných poliach. Zároveň je tiež jedným z ideálnych materiálov na výrobu polovodičových zariadení.

Optické aplikácie: Karbid z nano-sikronu má široké pásmo a vynikajúce optické vlastnosti a môže sa použiť na výrobu vysoko výkonných laserov, LED diód, fotovoltaických zariadení atď.

Mechanické časti: Využitie vysokej odolnosti proti tvrdosti a opotrebeniu, karbid nano-sikronu má širokú škálu aplikácií pri výrobe mechanických častí, ako sú vysokorýchlostné rezné nástroje, ložiská, mechanické tesnenia atď., Ktoré môžu výrazne zlepšiť odolnosť proti opotrebeniu a servisnú životnosť častí.

Nanokompozitné materiály: Karbid nano-sikronu sa môže kombinovať s inými materiálmi, aby sa vytvorili nanokompozity na zlepšenie mechanických vlastností, tepelnej vodivosti a odolnosti proti korózii materiálu. Tento nanokompozitný materiál sa široko používa v leteckom priemysle, automobilovom priemysle, v oblasti energetiky atď.

Vysokotextové štrukturálne materiály: Nanokarbid kremíkamá vynikajúcu vysokú teplotu stabilitu a odolnosť proti korózii a môže sa použiť v extrémnych vysokorýchlostných prostrediach. Preto sa používa ako vysokoteplotný štrukturálny materiál v leteckom, petrochemickom, metalurgii a iných oblastiach, ako je výrobavysoká teplota, pec, obklady pecí atď.

Ďalšie aplikácie: Nanokremíkový karbid sa používa aj pri skladovaní vodíku, fotokatalýze a snímaní, ktoré ukazujú široké vyhliadky na aplikáciu.