Nanomateriały węglika krzemu

Nanomateriały węglika krzemu

Nanomateriały węglika krzemu (nanomateriały SiC) odnoszą się do materiałów składających się zwęglik krzemu (SiC)z co najmniej jednym wymiarem w skali nanometrów (zwykle określanym jako 1–100 nm) w przestrzeni trójwymiarowej. Nanomateriały węglika krzemu można podzielić na struktury zerowymiarowe, jednowymiarowe, dwuwymiarowe i trójwymiarowe, w zależności od ich budowy.

Nanostruktury zerowymiaroweto struktury, których wszystkie wymiary podano w skali nanometrów, obejmujące głównie stałe nanokryształy, puste nanosfery, puste nanoklatki i nanosfery typu rdzeń-powłoka.

Jednowymiarowe nanostrukturyodnoszą się do struktur, w których dwa wymiary są ograniczone do skali nanometrowej w przestrzeni trójwymiarowej. Struktura ta ma wiele postaci, w tym nanodruty (pełny środek), nanorurki (pusty środek), nanopasy lub nanopasy (wąski prostokątny przekrój poprzeczny) i nanopryzmaty (przekrój w kształcie pryzmatu). Struktura ta stała się przedmiotem intensywnych badań ze względu na jej unikalne zastosowania w fizyce mezoskopowej i produkcji urządzeń w skali nano. Na przykład nośniki w jednowymiarowych nanostrukturach mogą rozprzestrzeniać się tylko w jednym kierunku struktury (tj. w kierunku wzdłużnym nanodrutu lub nanorurki) i mogą być stosowane jako połączenia wzajemne i kluczowe urządzenia w nanoelektronice.

Nanostruktury dwuwymiarowe, które w nanoskali mają tylko jeden wymiar, zwykle prostopadły do ​​płaszczyzny ich warstwy, takie jak nanoarkusze, nanoarkusze, nanoarkusze i nanosfery, zyskały ostatnio szczególną uwagę nie tylko ze względu na podstawowe zrozumienie mechanizmu ich wzrostu, ale także w celu zbadania ich potencjału zastosowania w emiterach światła, czujnikach, ogniwach słonecznych itp.

Trójwymiarowe nanostrukturysą zwykle nazywane złożonymi nanostrukturami, które są utworzone przez zbiór jednej lub więcej podstawowych jednostek strukturalnych w zerowych, jednowymiarowych i dwuwymiarowych (takich jak nanodruty lub nanopręty połączone złączami monokrystalicznymi) oraz ich całkowite wymiary geometryczne są w skali nanometrów lub mikrometrów. Takie złożone nanostruktury o dużej powierzchni na jednostkę objętości zapewniają wiele korzyści, takich jak długie ścieżki optyczne zapewniające efektywną absorpcję światła, szybki międzyfazowy transfer ładunku i przestrajalne możliwości transportu ładunku. Zalety te umożliwiają trójwymiarowym nanostrukturom udoskonalenie projektów w przyszłych zastosowaniach związanych z konwersją i magazynowaniem energii. Zbadano szeroką gamę nanomateriałów, od struktur 0D do 3D, które stopniowo wprowadzano do przemysłu i życia codziennego.

Metody syntezy nanomateriałów SiC

Materiały zerowymiarowe można syntetyzować metodą topnienia, metodą trawienia elektrochemicznego, metodą pirolizy laserowej itp. w celu uzyskaniaCiało stałe SiCnanokryształy o wielkości od kilku nanometrów do kilkudziesięciu nanometrów, ale zwykle mają kształt pseudosferyczny, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1 Obrazy TEM nanokryształów β-SiC przygotowanych różnymi metodami

(a) Synteza Solwotermiczna [34]; (B) Metoda trawienia elektrochemicznego [35]; c) obróbka termiczna[48]; d) Piroliza laserowa[49]

Dasog i in. zsyntetyzowano kuliste nanokryształy β-SiC o kontrolowanej wielkości i przejrzystej strukturze w drodze reakcji podwójnego rozkładu w stanie stałym pomiędzy proszkami SiO2, Mg i C [55], jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2 Obrazy FESEM sferycznych nanokryształów SiC o różnych średnicach [55]

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

Metoda fazy gazowej do hodowli nanodrutów SiC. Synteza w fazie gazowej jest najbardziej dojrzałą metodą tworzenia nanodrutów SiC. W typowym procesie substancje w postaci pary stosowane jako reagenty do utworzenia produktu końcowego powstają w wyniku odparowania, redukcji chemicznej i reakcji gazowej (wymagającej wysokiej temperatury). Chociaż wysoka temperatura zwiększa dodatkowe zużycie energii, nanodruty SiC hodowane tą metodą zwykle mają wysoką integralność kryształów, przezroczyste nanodruty/nanopręty, nanopryzmaty, nanoigły, nanorurki, nanopasy, nanokable itp., jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3 Typowe morfologie jednowymiarowych nanostruktur SiC 

a) układy nanodrutów na włóknach węglowych; (b) Ultradługie nanodruty na kulkach Ni-Si; (c) Nanodruty; (d) Nanopryzmaty; (e) Nanobambus; (f) Nanoigły; (g) Nanokości; (h) Nanołańcuchy; (i) Nanorurki

Roztworowa metoda wytwarzania nanodrutów SiC. Metodę roztworową stosuje się do wytwarzania nanodrutów SiC, co pozwala na obniżenie temperatury reakcji. Metoda może obejmować krystalizację prekursora fazy roztworowej poprzez spontaniczną redukcję chemiczną lub inne reakcje w stosunkowo łagodnej temperaturze. Jako przedstawiciele metody roztworowej, powszechnie stosuje się syntezę solwotermiczną i syntezę hydrotermalną do otrzymywania nanodrutów SiC w niskich temperaturach.

Dwuwymiarowe nanomateriały można wytwarzać metodami solwotermicznymi, laserami pulsacyjnymi, redukcją termiczną węglem, złuszczaniem mechanicznym i wzmacnianiem plazmą mikrofalowąCVD. Ho i in. zrealizowali trójwymiarową nanostrukturę SiC w kształcie kwiatka z nanodrutu, jak pokazano na rysunku 4. Obraz SEM pokazuje, że struktura przypominająca kwiat ma średnicę 1-2 µm i długość 3-5 µm.

Rysunek 4 Obraz SEM trójwymiarowego kwiatu nanodrutu SiC

Wydajność nanomateriałów SiC

Nanomateriały SiC to zaawansowany materiał ceramiczny o doskonałych parametrach, który ma dobre właściwości fizyczne, chemiczne, elektryczne i inne.

✔ Właściwości fizyczne

Wysoka twardość: Mikrotwardość nanowęglika krzemu mieści się pomiędzy korundem a diamentem, a jego wytrzymałość mechaniczna jest wyższa niż korundu. Ma wysoką odporność na zużycie i dobre samosmarowanie.

Wysoka przewodność cieplna: Nanowęglik krzemu ma doskonałą przewodność cieplną i jest doskonałym materiałem przewodzącym ciepło.

Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej: pozwala na utrzymanie węglika nanokrzemu stabilnego rozmiaru i kształtu w warunkach wysokiej temperatury.

Wysoka powierzchnia właściwa: jedna z cech nanomateriałów, sprzyja poprawie jej aktywności powierzchniowej i wydajności reakcji.

✔ Właściwości chemiczne

Stabilność chemiczna: Nanowęglik krzemu ma stabilne właściwości chemiczne i może utrzymać swoje działanie na niezmienionym poziomie w różnych środowiskach.

Przeciwutlenianie: Jest odporny na utlenianie w wysokich temperaturach i wykazuje doskonałą odporność na wysokie temperatury.

✔Właściwości elektryczne

Wysokie pasmo wzbronione: Wysokie pasmo wzbronione sprawia, że ​​jest to idealny materiał do produkcji urządzeń elektronicznych o wysokiej częstotliwości, dużej mocy i niskim zużyciu energii.

Wysoka mobilność nasycenia elektronami: sprzyja szybkiej transmisji elektronów.

✔Inne cechy

Silna odporność na promieniowanie: może utrzymać stabilną wydajność w środowisku radiacyjnym.

Dobre właściwości mechaniczne: Ma doskonałe właściwości mechaniczne, takie jak wysoki moduł sprężystości.

Zastosowanie nanomateriałów SiC

Urządzenia elektroniczne i półprzewodnikowe: Ze względu na doskonałe właściwości elektroniczne i stabilność w wysokiej temperaturze nanowęglik krzemu jest szeroko stosowany w komponentach elektronicznych dużej mocy, urządzeniach wysokiej częstotliwości, komponentach optoelektronicznych i innych dziedzinach. Jednocześnie jest to również jeden z idealnych materiałów do produkcji urządzeń półprzewodnikowych.

Zastosowania optyczne: Nanowęglik krzemu ma szerokie pasmo wzbronione i doskonałe właściwości optyczne i może być stosowany do produkcji wysokowydajnych laserów, diod LED, urządzeń fotowoltaicznych itp.

Części mechaniczne: Wykorzystując swoją wysoką twardość i odporność na zużycie, nanowęglik krzemu ma szeroki zakres zastosowań w produkcji części mechanicznych, takich jak narzędzia skrawające o dużej prędkości, łożyska, uszczelnienia mechaniczne itp., co może znacznie poprawić zużycie wytrzymałość i żywotność części.

Materiały nanokompozytowe: Nanowęglik krzemu można łączyć z innymi materiałami, tworząc nanokompozyty, poprawiające właściwości mechaniczne, przewodność cieplną i odporność materiału na korozję. Ten materiał nanokompozytowy jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, energetyce itp.

Materiały konstrukcyjne odporne na wysoką temperaturę: Nanowęglik krzemuma doskonałą stabilność w wysokich temperaturach i odporność na korozję i może być stosowany w środowiskach o ekstremalnie wysokich temperaturach. Dlatego jest stosowany jako wysokotemperaturowy materiał konstrukcyjny w przemyśle lotniczym, petrochemicznym, metalurgicznym i innych dziedzinach, takich jak produkcjapiece wysokotemperaturowe, rury pieca, okładziny pieców itp.

Inne zastosowania: Nanowęglik krzemu jest również stosowany w magazynowaniu wodoru, fotokatalizie i wykrywaniu, co wykazuje szerokie perspektywy zastosowania.