Наноматеријали од силициум карбид

Наноматеријали од силициум карбид

Наноматеријалите од силициум карбид (SiC наноматеријали) се однесуваат на материјали составени одсилициум карбид (SiC)со најмалку една димензија во нанометарската скала (обично дефинирана како 1-100nm) во тродимензионален простор. Наноматеријалите од силициум карбид може да се класифицираат на нулта-димензионални, еднодимензионални, дводимензионални и тридимензионални структури според нивната структура.

Нулта-димензионални наноструктурисе структури чии што сите димензии се на нанометарска скала, главно вклучувајќи цврсти нанокристали, шупливи наносфери, шупливи нанокази и наносфери на јадрото.

Еднодимензионални наноструктурисе однесуваат на структури во кои две димензии се ограничени на нанометарската скала во тридимензионален простор. Оваа структура има многу форми, вклучувајќи наножици (цврст центар), наноцевки (шуплив центар), нанопојаси или нанопојаси (тесен правоаголен пресек) и нанопризми (пресек во облик на призма). Оваа структура стана фокус на интензивно истражување поради нејзините уникатни апликации во мезоскопската физика и производството на уреди со нано размери. На пример, носачите во еднодимензионалните наноструктури можат да се шират само во една насока на структурата (т.е. надолжната насока на наножицата или наноцевката) и може да се користат како меѓусебно поврзување и клучни уреди во наноелектрониката.

Дводимензионални наноструктури, кои имаат само една димензија во наноскала, обично нормална на нивната слојна рамнина, како што се нано листови, нанолистови, нанолистови и наносфери, неодамна добија посебно внимание, не само за основното разбирање на нивниот механизам на раст, туку и за истражување на нивниот потенцијал. апликации во емитери на светлина, сензори, соларни ќелии итн.

Тридимензионални наноструктуриобично се нарекуваат сложени наноструктури, кои се формираат од збирка на една или повеќе основни структурни единици во нулта-димензионални, еднодимензионални и дводимензионални (како што се наножици или нанопрачки поврзани со еднокристални спојки) и нивните целокупни геометриски димензии се на нанометарска или микрометарска скала. Ваквите сложени наноструктури со голема површина по единица волумен обезбедуваат многу предности, како што се долги оптички патеки за ефикасна апсорпција на светлина, брз меѓуфазен пренос на полнеж и можности за прилагодлив транспорт на полнеж. Овие предности им овозможуваат на тридимензионалните наноструктури да го унапредат дизајнот во идните апликации за конверзија и складирање енергија. Од 0D до 3D структури, широк спектар на наноматеријали се проучувани и постепено воведени во индустријата и секојдневниот живот.

Методи на синтеза на наноматеријали SiC

Нулта-димензионални материјали може да се синтетизираат со метод на топло топење, метод на електрохемиско офорт, метод на ласерска пиролиза итн.Солидна SiCнанокристали кои се движат од неколку нанометри до десетици нанометри, но обично се псевдо-сферични, како што е прикажано на слика 1.

Слика 1 TEM слики на β-SiC нанокристали подготвени со различни методи

(а) Солвотермална синтеза[34]; (Б) Електрохемиски метод на офорт[35]; (в) Термичка обработка[48]; (г) Ласерска пиролиза[49]

Дасог и сор. синтетизирани сферични β-SiC нанокристали со контролирана големина и јасна структура со реакција на двојно распаѓање во цврста состојба помеѓу прашокот SiO2, Mg и C[55], како што е прикажано на слика 2.

Слика 2 FESEM слики на сферични нанокристали SiC со различни дијаметри[55]

(а) 51,3 ± 5,5 nm; (Б) 92,8 ± 6,6 nm; (в) 278,3 ± 8,2 nm

Метод на пареа фаза за одгледување наножици SiC. Синтезата на гасната фаза е најзрелиот метод за формирање на наножици SiC. Во типичен процес, пареа супстанции кои се користат како реактанти за формирање на финалниот производ се генерираат со испарување, хемиска редукција и гасовита реакција (која бара висока температура). Иако високата температура ја зголемува дополнителната потрошувачка на енергија, SiC наножиците кои се одгледуваат со овој метод обично имаат висок кристален интегритет, јасни наножици/нанопрачки, нанопризми, наноигли, наноцевки, наноремени, нанокабли итн., како што е прикажано на Слика 3.

Слика 3 Типични морфологии на еднодимензионални наноструктури на SiC 

(а) Наножични низи на јаглеродни влакна; (б) Ултра долги наножици на Ni-Si топки; (в) Наножици; (г) нанопризми; (д) Нанобамбус; (ѓ) Наноигли; (е) нанокоски; (ж) Наносинџири; (з) Наноцевки

Метод на решение за подготовка на наножици SiC. Методот на раствор се користи за подготовка на наножици SiC, со што се намалува температурата на реакцијата. Методот може да вклучува кристализација на претходник на фаза на раствор преку спонтано хемиско редукција или други реакции на релативно блага температура. Како претставници на методот на раствор, солвотермалната синтеза и хидротермалната синтеза вообичаено се користат за добивање на наножици SiC при ниски температури.

Дводимензионалните наноматеријали може да се подготват со солвотермални методи, импулсни ласери, термална редукција на јаглеродот, механичко ексфолирање и засилена микробранова плазмаCVD. Хо и сор. реализираше 3D SiC наноструктура во облик на цвет од наножица, како што е прикажано на слика 4. Сликата SEM покажува дека структурата слична на цвет има дијаметар од 1-2 μm и должина од 3-5 μm.

Слика 4 SEM слика на тридимензионален цвет од наножица SiC

Перформанси на SiC наноматеријали

SiC наноматеријалите се напреден керамички материјал со одлични перформанси, кој има добри физички, хемиски, електрични и други својства.

✔ Физички својства

Висока цврстина: Микротврдоста на нано-силициум карбид е помеѓу корунд и дијамант, а неговата механичка сила е поголема од онаа на корундот. Има висока отпорност на абење и добро само-подмачкување.

Висока топлинска спроводливост: Нано-силициум карбид има одлична топлинска спроводливост и е одличен термички спроводлив материјал.

Низок коефициент на термичка експанзија: Ова му овозможува на нано-силициум карбид да одржува стабилна големина и форма при високи температурни услови.

Висока специфична површина: Една од карактеристиките на наноматеријалите, таа е погодна за подобрување на нејзината површинска активност и реакциските перформанси.

✔ Хемиски својства

Хемиска стабилност: Нано-силициум карбид има стабилни хемиски својства и може да ги одржува своите перформанси непроменети во различни средини.

Антиоксидација: Може да се спротивстави на оксидација на високи температури и покажува одлична отпорност на високи температури.

✔Електрични својства

Високо бенд: Високиот бенд јаз го прави идеален материјал за правење електронски уреди со висока фреквенција, висока моќност и ниска енергија.

Висока мобилност на сатурација на електрони: Погодна е за брз пренос на електрони.

✔Други карактеристики

Силен отпор на зрачење: Може да одржува стабилни перформанси во средина со зрачење.

Добри механички својства: Има одлични механички својства како што е висок модул на еластичност.

Примена на наноматеријали SiC

Електроника и полупроводнички уреди: Поради одличните електронски својства и стабилноста на висока температура, нано-силиконскиот карбид е широко користен во електронски компоненти со висока моќност, уреди со висока фреквенција, оптоелектронски компоненти и други полиња. Во исто време, тој е и еден од идеалните материјали за производство на полупроводнички уреди.

Оптички апликации: Нано-силициум карбид има широк опсег и одлични оптички својства и може да се користи за производство на ласери со високи перформанси, LED диоди, фотоволтаични уреди итн.

Механички делови: Искористувајќи ја неговата висока цврстина и отпорност на абење, нано-силициум карбид има широк опсег на примени во производството на механички делови, како што се алатки за сечење со голема брзина, лежишта, механички заптивки итн., што може значително да го подобри абењето отпорност и работниот век на деловите.

Нанокомпозитни материјали: Нано-силициум карбид може да се комбинира со други материјали за да се формираат нанокомпозити за да се подобрат механичките својства, топлинската спроводливост и отпорноста на корозија на материјалот. Овој нанокомпозитен материјал е широко користен во воздушната, автомобилската индустрија, енергетското поле итн.

Структурни материјали со висока температура: Наносилициум карбидима одлична стабилност на високи температури и отпорност на корозија, и може да се користи во средини со екстремно високи температури. Затоа, се користи како високотемпературен структурен материјал во воздушната, петрохемиската, металургијата и други области, како што е производствотопечки со висока температура, цевки на печката, облоги на печката итн.

Други апликации: Нано силициум карбид се користи и во складирање на водород, фотокатализа и сензори, што покажува широки можности за примена.