Nanomateriály křemíku karbidu

Nanomateriály křemíku karbidu

Nanomateriály karbidu křemíku (SIC nanomateriály) se vztahují na materiály složené zkřemíkový karbid (sic)s alespoň jednou dimenzí v nanometrovém měřítku (obvykle definované jako 1-100 nm) v trojrozměrném prostoru. Nanomateriály karbidu křemíku lze podle jejich struktury klasifikovat do nulorozměrných, jednorozměrných, dvourozměrných a trojrozměrných struktur.

Nuro-dimenzionální nanostrukturyjsou struktury, jejichž všechny rozměry jsou na nanometrovém měřítku, zejména včetně pevných nanokrystalů, dutých nanossféry, dutých nanocages a jádro-skořápkových nanossféry.

Jednorozměrné nanostrukturyViz struktury, ve kterých jsou dvě rozměry omezeny na nanometrový stupnice v trojrozměrném prostoru. Tato struktura má mnoho forem, včetně nanowirů (pevného středu), nanotrubic (duté centrum), nanobeltů nebo nanobeltů (úzký pravopisná průřez) a nanoprismů (průřez ve tvaru hranolu). Tato struktura se stala zaměřením intenzivního výzkumu díky jeho jedinečným aplikacím v mezoskopické fyzice a výrobě nanočástic. Například nosiče v jednorozměrných nanostrukturách se mohou šířit pouze v jednom směru struktury (tj. Podélným směrem nanowire nebo nanotrubice) a mohou být použity jako propojení a klíčová zařízení v nanoelektronice.

Dvourozměrné nanostruktury, které mají pouze jednu dimenzi v nanoměru, obvykle kolmo k jejich vrstvě, jako jsou nanosheety, nanosheety, nanosheety a nanossféry, nedávno věnovaly zvláštní pozornost nejen pro základní porozumění jejich růstovému mechanismu, ale také pro zkoumání jejich potenciálních aplikací v lehkých emitovách, solar, atd. atd. atd. atd. atd. atd. atd. atd. atd. atd.

Trojrozměrné nanostrukturyse obvykle nazývají složité nanostruktury, které jsou tvořeny sbírkou jedné nebo více základních strukturálních jednotek v nulorozměrných, jednorozměrných a dvourozměrných (jako jsou nanowire nebo nanorody spojené s jedním krystalovým spojeními) a jejich celkové geometrické rozměry jsou na nanometru nebo mikrometrovém měřítku. Takové komplexní nanostruktury s vysokou povrchovou plochou na jednotku objemu poskytují mnoho výhod, jako jsou dlouhé optické cesty pro efektivní absorpci světla, rychlý přenos pro rozhraní a laditelné schopnosti přepravy náboje. Tyto výhody umožňují trojrozměrným nanostrukturám pro pokrok v budoucích aplikacích pro přeměnu a skladování energie. Od 0D do 3D struktur byla studována široká škála nanomateriálů a postupně zavedena do průmyslu a každodenního života.

Metody syntézy nanomateriálů SIC

Materiály s nulovým rozměrem mohou být syntetizovány metodou horké taveniny, metodou elektrochemického leptání, metodou laserové pyrolýzy atd.Sic pevnáNanokrystaly v rozmezí od několika nanometrů po desítky nanometrů, ale obvykle jsou pseudo-sférické, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 TEM obrazy nanokrystalů β-SIC připravených různými metodami

a) solvotermální syntéza [34]; B) metoda elektrochemického leptání [35]; c) tepelné zpracování [48]; (d) Laserová pyrolýza [49]

Dasog et al. Syntetizované sférické nanokrystaly P-SIC s kontrolovatelnou velikostí a čistou strukturou pomocí dvojité rozkladové reakce pevného stavu mezi prášky SIO2, Mg a C [55], jak je znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2 FESEM obrazy sférických SIC nanokrystalů s různými průměry [55]

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

Metoda fáze páry pro pěstování nanočástic SIC. Syntéza plynné fáze je nejzralejší metodou pro vytváření nanočástic SIC. V typickém procesu jsou párací látky používané jako reaktanty k vytvoření konečného produktu generovány odpařováním, chemickou redukcí a plynnou reakcí (vyžadující vysokou teplotu). Ačkoli vysoká teplota zvyšuje dodatečnou spotřebu energie, nanočástice SIC pěstované touto metodou mají obvykle vysokou integritu krystalů, čiré nanorody/nanorody, nanoprismem, nanoneedles, nanotrubice, nanobelty, nanokatebry atd., Jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3 Typické morfologie jednorozměrných nanostruktur SIC 

(a) Pole nanowire na uhlíkových vláknech; (b) ultralongové nanowire na koulích Ni-Si; (c) nanowire; d) nanoprismy; E) nanobamboo; f) nanoneedles; g) nanobony; H) nanochains; (i) Nanotrubice

Metoda řešení pro přípravu nanowirů SIC. Metoda řešení se používá k přípravě nanowirů SIC, což snižuje reakční teplotu. Metoda může zahrnovat krystalizaci prekurzoru fáze roztoku prostřednictvím spontánní chemické redukce nebo jiných reakcí při relativně mírné teplotě. Jako zástupci metody řešení se solvotermální syntéza a hydrotermální syntéza běžně používají k získání nanočástic SIC při nízkých teplotách.

Dvourozměrné nanomateriály mohou být připraveny solvotermálními metodami, pulzními lasery, tepelnou redukcí uhlíku, mechanickou exfoliací a mikrovlnnou plazmou vylepšenéCVD. Ho et al. Realizoval 3D SIC nanostrukturu ve tvaru nanowire květ, jak je znázorněno na obrázku 4. Obrázek SEM ukazuje, že struktura podobná květině má průměr 1-2 μm a délku 3-5 μm.

Obrázek 4 SEM Obrázek trojrozměrného květu sic nanowire

Výkon nanomateriálů SIC

Nanomateriály SIC jsou pokročilý keramický materiál s vynikajícím výkonem, který má dobrou fyzickou, chemickou, elektrickou a jinou vlastností.

✔ Fyzikální vlastnosti

Vysoká tvrdost: Mikrohardness nano-Silicon karbidu je mezi Corundum a Diamond a jeho mechanická síla je vyšší než u Corundum. Má vysokou odolnost proti opotřebení a dobré sebezmolení.

Vysoká tepelná vodivost: Karbid nano-Silicon má vynikající tepelnou vodivost a je vynikajícím tepelným vodivým materiálem.

Koeficient s nízkým tepelnou roztažností: To umožňuje nano-silicon karbidu udržovat stabilní velikost a tvar za podmínek s vysokou teplotou.

Vysoká specifická povrchová plocha: Jedna z charakteristik nanomateriálů přispívá ke zlepšení její povrchové aktivity a reakční výkonnosti.

✔ Chemické vlastnosti

Chemická stabilita: Karbid nano-Silicon má stabilní chemické vlastnosti a může udržovat svůj výkon nezměněný v různých prostředích.

Antioxidace: Může odolávat oxidaci při vysokých teplotách a vykazuje vynikající odolnost proti vysoké teplotě.

✔Elektrické vlastnosti

Vysoká bandgap: Vysoká bandgap z něj dělá ideální materiál pro výrobu vysokofrekvenčních, vysoce výkonných a nízkoenergetických elektronických zařízení.

Vysoká mobilita nasycení elektronů: vede k rychlému přenosu elektronů.

✔Další vlastnosti

Silná odolnost proti záření: Může udržovat stabilní výkon v radiačním prostředí.

Dobré mechanické vlastnosti: Má vynikající mechanické vlastnosti, jako je vysoký elastický modul.

Aplikace sic nanomateriálů

Elektronika a polovodičová zařízení: Vzhledem k svým vynikajícím elektronickým vlastnostem a vysokoteplotní stabilitě se nano-křemíkový karbid široce používá ve vysoce výkonných elektronických komponentách, vysokofrekvenčních zařízeních, optoelektronických komponentách a dalších polích. Současně je to také jeden z ideálních materiálů pro výrobu polovodičových zařízení.

Optické aplikace: Nano-Silicon Carbide má širokou bandgap a vynikající optické vlastnosti a lze jej použít k výrobě vysoce výkonných laserů, LED, fotovoltaických zařízení atd.

Mechanické části: Nano-Silicon Carbide, využívající výhodu své vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení, má při výrobě mechanických částí širokou škálu aplikací, jako jsou nástroje pro řezání vysokorychlostních řezů, ložiska, mechanické těsnění atd., Které mohou výrazně zlepšit odolnost proti opotřebení a životností součástí.

Nanokompozitní materiály: Karbid nano-Silicon může být kombinován s jinými materiály za vzniku nanokompozitů za účelem zlepšení mechanických vlastností, tepelné vodivosti a odolnosti proti korozi materiálu. Tento nanokompozitní materiál se široce používá v leteckém, automobilovém průmyslu, energetickém poli atd.

Strukturální materiály s vysokou teplotou: Nanokřemíkový karbidmá vynikající stabilitu s vysokou teplotou a odolnost proti korozi a lze jej použít v extrémním vysokoteplotním prostředí. Proto se používá jako vysokoteplotní strukturální materiál v leteckém, petrochemickém, metalurgii a dalších polích, jako je výrobapece s vysokou teplotou, Trubky pece, obložení pece, atd.

Jiné aplikace: Karbid nano silikonu se také používá při skladování, fotokatalýze a snímání vodíku, což ukazuje na široké vyhlídky na aplikaci.