Szilícium-karbid nanoanyagok

Szilícium-karbid nanoanyagok

A szilícium-karbid nanoanyagok (SiC nanoanyagok) olyan anyagokat jelentenek, amelyekből álló anyagokszilícium-karbid (SiC)legalább egy dimenzióval a nanométeres léptékben (általában 1-100 nm-ben határozzák meg) háromdimenziós térben. A szilícium-karbid nanoanyagok szerkezetük szerint nulldimenziós, egydimenziós, kétdimenziós és háromdimenziós szerkezetekbe sorolhatók.

Nulladimenziós nanostruktúrákolyan szerkezetek, amelyek minden mérete nanométeres léptékű, főként szilárd nanokristályok, üreges nanogömbök, üreges nanoketrecek és mag-héj nanogömbök.

Egydimenziós nanostruktúrákolyan szerkezetekre vonatkozik, amelyekben két dimenzió a nanométeres skálára korlátozódik a háromdimenziós térben. Ennek a szerkezetnek számos formája van, beleértve a nanohuzalokat (szilárd középpont), nanocsöveket (üreges középpont), nanoöveket vagy nanoöveket (keskeny téglalap alakú keresztmetszet) és nanoprizmákat (prizma alakú keresztmetszet). Ez a szerkezet az intenzív kutatások középpontjába került a mezoszkópikus fizikában és a nanoméretű készülékgyártásban való egyedi alkalmazásai miatt. Például az egydimenziós nanostruktúrákban lévő hordozók csak a szerkezet egyik irányában terjedhetnek (azaz a nanoszál vagy nanocső hosszirányában), és összekötő elemként és kulcsfontosságú eszközként használhatók a nanoelektronikában.

Kétdimenziós nanoszerkezetek, amelyek nanoméretben csak egy dimenzióval rendelkeznek, általában merőlegesek a rétegsíkjukra, mint például a nanolapok, nanolapok, nanolapok és nanogömbök, amelyek a közelmúltban kiemelt figyelmet kaptak, nemcsak növekedési mechanizmusuk alapvető megértéséhez, hanem lehetőségük feltárásához is. alkalmazások fénykibocsátókban, érzékelőkben, napelemekben stb.

Háromdimenziós nanoszerkezetekáltalában összetett nanostruktúráknak nevezik, amelyeket egy vagy több alapvető szerkezeti egység null-, egydimenziós és kétdimenziós gyűjteményéből (például nanoszálak vagy egykristályos csomópontokkal összekapcsolt nanorudak) és ezek teljes geometriai méretei alkotnak. nanométeres vagy mikrométeres skálán vannak. Az ilyen komplex nanostruktúrák, amelyek térfogategységenként nagy felülettel rendelkeznek, számos előnnyel járnak, mint például a hosszú optikai utak a hatékony fényelnyelés érdekében, a gyors felületi töltésátvitel és a hangolható töltésátviteli képességek. Ezek az előnyök lehetővé teszik, hogy a háromdimenziós nanostruktúrák előremozdítsák a tervezést a jövőbeli energiaátalakítási és -tárolási alkalmazásokban. A 0D-től a 3D-s szerkezetekig sokféle nanoanyagot tanulmányoztak, és fokozatosan bevezették az iparba és a mindennapi életbe.

SiC nanoanyagok szintézisének módszerei

Nulla dimenziós anyagok szintetizálhatók forró olvadék módszerrel, elektrokémiai maratási módszerrel, lézeres pirolízis módszerrel stb.Szilícium-karbamidnéhány nanométertől több tíz nanométerig terjedő nanokristályok, de általában pszeudogömb alakúak, amint az 1. ábrán látható.

1. ábra Különböző módszerekkel előállított β-SiC nanokristályok TEM-képei

a) szolvotermikus szintézis[34]; (B) Elektrokémiai maratási módszer[35]; c) hőfeldolgozás[48]; d) Lézeres pirolízis[49]

Dasog et al. Szabályozható méretű és átlátszó szerkezetű gömb alakú β-SiC nanokristályokat szintetizáltak SiO2, Mg és C porok közötti szilárd fázisú kettős bomlási reakcióval[55], a 2. ábra szerint.

2. ábra FESEM képek különböző átmérőjű gömb alakú SiC nanokristályokról[55]

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

Gőzfázisú módszer SiC nanohuzalok termesztésére. A gázfázisú szintézis a legérettebb módszer a SiC nanoszálak kialakítására. Egy tipikus folyamatban a végtermék előállításához reagensként használt gőzanyagok párolgás, kémiai redukció és gázhalmazállapotú reakció során keletkeznek (amely magas hőmérsékletet igényel). Bár a magas hőmérséklet növeli az energiafogyasztást, az ezzel a módszerrel termesztett SiC nanoszálak általában nagy kristályintegritásúak, tiszta nanoszálakkal/nanoroddal, nanoprizmákkal, nanotűkkel, nanocsövekkel, nanoövekkel, nanokábelekkel stb., a 3. ábrán látható módon.

3. ábra Egydimenziós SiC nanoszerkezetek tipikus morfológiái 

a) Nanohuzal tömbök szénszálakon; (b) Ultrahosszú nanohuzalok Ni-Si golyókon; c) nanovezetékek; d) nanoprizmák; e) nanobambusz; f) nanotűk; g) nanocsontok; (h) nanoláncok; i) Nanocsövek

Oldatmódszer SiC nanohuzalok előállításához. Az oldatos módszerrel SiC nanohuzalokat készítenek, ami csökkenti a reakció hőmérsékletét. Az eljárás magában foglalhatja egy oldatfázisú prekurzor kristályosítását spontán kémiai redukcióval vagy más reakciókkal, viszonylag enyhe hőmérsékleten. Az oldatmódszer képviselőiként a szolvotermikus szintézist és a hidrotermális szintézist általánosan alkalmazták SiC nanohuzalok alacsony hőmérsékleten történő előállítására.

A kétdimenziós nanoanyagok előállíthatók szolvotermikus módszerekkel, impulzuslézerrel, szén-termikus redukcióval, mechanikus hámlasztással és mikrohullámú plazmanövelésselCVD. Ho et al. A 4. ábrán látható módon egy 3D SiC nanoszerkezetet valósított meg nanoszál virág formájában. A SEM képen látható, hogy a virágszerű szerkezet átmérője 1-2 μm, hossza pedig 3-5 μm.

4. ábra SEM kép egy háromdimenziós SiC nanoszál virágról

SiC nanoanyagok teljesítménye

A SiC nanoanyagok kiváló teljesítményű, fejlett kerámia anyagok, amelyek jó fizikai, kémiai, elektromos és egyéb tulajdonságokkal rendelkeznek.

✔ Fizikai tulajdonságok

Nagy keménység: A nano-szilícium-karbid mikrokeménysége a korund és a gyémánt között van, mechanikai szilárdsága nagyobb, mint a korundé. Magas kopásállósággal és jó önkenéssel rendelkezik.

Magas hővezető képesség: A nano-szilícium-karbid kiváló hővezető képességgel rendelkezik, és kiváló hővezető anyag.

Alacsony hőtágulási együttható: Ez lehetővé teszi, hogy a nano-szilícium-karbid megtartsa stabil méretét és alakját magas hőmérsékleti körülmények között.

Nagy fajlagos felület: A nanoanyagok egyik jellemzője, hogy javítja felületi aktivitását és reakcióteljesítményét.

✔ Kémiai tulajdonságok

Kémiai stabilitás: A nano-szilícium-karbid stabil kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, és változatlan formában képes megőrizni teljesítményét különböző környezetben.

Antioxidáns: ellenáll az oxidációnak magas hőmérsékleten, és kiváló magas hőmérsékleti ellenállást mutat.

✔Elektromos tulajdonságok

Magas sávszélesség: A nagy sávszélesség ideális anyaggá teszi nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és alacsony energiafogyasztású elektronikai eszközök készítéséhez.

Magas elektrontelítési mobilitás: Elősegíti az elektronok gyors átvitelét.

✔Egyéb jellemzők

Erős sugárzásállóság: Stabil teljesítményt képes fenntartani sugárzási környezetben.

Jó mechanikai tulajdonságok: Kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, például nagy rugalmassági modulussal.

SiC nanoanyagok alkalmazása

Elektronika és félvezető eszközök: Kiváló elektronikus tulajdonságainak és magas hőmérsékleti stabilitásának köszönhetően a nano-szilícium-karbidot széles körben használják nagy teljesítményű elektronikai alkatrészekben, nagyfrekvenciás eszközökben, optoelektronikai alkatrészekben és más területeken. Ugyanakkor az egyik ideális anyag a félvezető eszközök gyártásához.

Optikai alkalmazások: A nano-szilícium-karbid széles sávszélességgel és kiváló optikai tulajdonságokkal rendelkezik, nagy teljesítményű lézerek, LED-ek, fotovoltaikus eszközök stb.

Mechanikai alkatrészek: Kihasználva nagy keménységét és kopásállóságát, a nano-szilícium-karbid széles körben alkalmazható mechanikai alkatrészek, például nagy sebességű vágószerszámok, csapágyak, mechanikus tömítések stb. gyártásában, amelyek nagymértékben javíthatják a kopást. az alkatrészek ellenállása és élettartama.

Nanokompozit anyagok: A nano-szilícium-karbid más anyagokkal kombinálva nanokompozitokat képezhet az anyag mechanikai tulajdonságainak, hővezető képességének és korrózióállóságának javítása érdekében. Ezt a nanokompozit anyagot széles körben használják a repülőgépiparban, az autóiparban, az energiaiparban stb.

Magas hőmérsékletű szerkezeti anyagok: Nanoszilícium-karbidkiváló magas hőmérsékleti stabilitással és korrózióállósággal rendelkezik, és extrém magas hőmérsékletű környezetben is használható. Ezért magas hőmérsékletű szerkezeti anyagként használják a repülőgépiparban, a petrolkémiában, a kohászatban és más területeken, például a gyártásban.magas hőmérsékletű kemencék, kemence csövek, kemenceburkolatok stb.

Egyéb alkalmazások: A nano-szilícium-karbidot hidrogéntárolásra, fotokatalízisre és érzékelésre is használják, széles körű alkalmazási lehetőségeket kínálva.