Кремниевые карбид наноматериалов

Кремниевые карбид наноматериалов

Кремниевые карбидные наноматериалы (наноматериалы SIC) относятся к материалам, состоящим изкарбид кремния (sic)с по крайней мере одним измерением в нанометровой шкале (обычно определяется как 1-100 нм) в трехмерном пространстве. Кремниевые наноматериалы карбида могут быть классифицированы на нулевые, одномерные, двумерные и трехмерные структуры в соответствии с их структурой.

Нулевые наноструктурыявляются структурами, все измерения, находятся на нанометровых масштабах, в основном включают в себя твердые нанокристаллы, полые наносферы, полые нанокажи и наносферы ядра.

Одномерные наноструктурыОбратитесь к структурам, в которых два измерения ограничены нанометровым шкалом в трехмерном пространстве. Эта структура имеет множество форм, включая нанопроволоки (твердый центр), нанотрубки (полый центр), нанобелты или нанобелты (узкое прямоугольное поперечное сечение) и нанопризмы (призму поперечное сечение). Эта структура стала центром интенсивных исследований благодаря его уникальным применениям в мезоскопической физике и производстве наноразмерных устройств. Например, носители в одномерных наноструктурах могут распространяться только в одном направлении структуры (то есть в продольном направлении нанопроволоки или нанотрубки) и могут использоваться в качестве взаимодействия и ключевых устройств в наноэлектронике.

Двумерные наноструктуры, которые имеют только одно измерение в наноразмерном, обычно перпендикулярно их плоскости слоя, таким как нанолисты, нанолисты, нанолисты и наносфер, недавно получили особое внимание не только для базового понимания их механизма роста, но и для изучения их потенциальных применений в световых эмиттерах, сенсорах, солнечных клетках и т. Д.

Трехмерные наноструктурыобычно называются сложными наноструктурами, которые образуются сбором из одной или более основных структурных единиц в нулевой, одномерной и двумерной (например, нанопроволоках или наностержнях, соединенных с помощью монокристаллических соединений), а их общие геометрические размеры находятся на нанометре или микрометре. Такие сложные наноструктуры с высокой площадью поверхности на единицу объема обеспечивают много преимуществ, таких как длинные оптические пути для эффективного поглощения света, быстрого межфазного переноса заряда и настраиваемых возможностей переноса заряда. Эти преимущества позволяют трехмерным наноструктурам для продвижения проектирования в будущих приложениях для преобразования и хранения энергии. От 0d до 3D структур был изучен широкий спектр наноматериалов и постепенно введен в промышленность и повседневную жизнь.

Методы синтеза наноматериалов SIC

Нулевые материалы могут быть синтезированы методом горячего расплава, методом электрохимического травления, методом лазерного пиролиза и т. Д.SIC твердыйНанокристаллы, начиная от нескольких нанометров до десятков нанометров, но обычно являются псевдо-скреарическими, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 Изображения ПЭМ нанокристаллов β-SIC, полученных различными методами

(а) сольвотермический синтез [34]; (Б) метод электрохимического травления [35]; (в) тепловая обработка [48]; (D) Лазерный пиролиз [49]

Dasog et al. Синтезированные сферические нанокристаллы β-SIC с контролируемым размером и четкой структурой с помощью твердотельной реакции двойного разложения между порошками SiO2, Mg и C [55], как показано на рисунке 2.

Рисунок 2 Фесемные изображения сферических нанокристаллов SIC с разными диаметрами [55]

(а) 51,3 ± 5,5 нм; (Б) 92,8 ± 6,6 нм; (C) 278,3 ± 8,2 нм

Метод фазы пара для выращивания нанопроволок SIC. Синтез газовой фазы является наиболее зрелым методом формирования нанопроволок SIC. В типичном процессе парные вещества, используемые в качестве реагентов для формирования конечного продукта, генерируются путем испарения, химического восстановления и газообразной реакции (требуя высокой температуры). Хотя высокая температура увеличивает дополнительное энергопотребление, нанопроволки SIC, выращиваемые этим методом, обычно имеют высокую целостность кристаллов, прозрачные нанопроволоки/наностержни, нанопризмы, наноиглы, нанотрубки, нанобелты, наноцелевы и т. Д., Как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Типичные морфологии одномерных наноструктур SIC 

(а) нанопроволочные массивы на углеродных волокнах; (б) ультралонг нанопроволок на шариках Ni-Si; (в) нанопроволоки; (г) нанопризмы; (Д) нанобамбук; (f) нанонизыры; (G) нанобоны; (H) нанохайны; (i) нанотрубки

Метод решения для приготовления нанопроволок SIC. Метод решения используется для приготовления нанопроволок SIC, что снижает температуру реакции. Метод может включать кристаллизацию предшественника фазы раствора посредством спонтанного химического восстановления или других реакций при относительно легкой температуре. В качестве представителей метода решения сольвотермический синтез и гидротермальный синтез обычно использовались для получения нанопроволок SIC при низких температурах.

Двумерные наноматериалы могут быть приготовлены сорвотермическими методами, импульсными лазерами, термическим восстановлением углерода, механическим отшелушиванием и улучшением микроволновой плазмы.Сердечно -сосудистыйПолем Ho et al. Реализовал трехмерную наноструктуру SIC в форме цветочного нанопроволока, как показано на рисунке 4. Изображение SEM показывает, что цветоподобная структура имеет диаметр 1-2 мкм и длину 3-5 мкм.

Рисунок 4 СЭМ изображение трехмерного цветочного цветов SIC нанопроволоки

Производительность наноматериалов SIC

Наноматериалы SIC - это продвинутый керамический материал с превосходной производительностью, который обладает хорошими физическими, химическими, электрическими и другими свойствами.

✔ Физические свойства

Высокая твердость: микрогарность карбида нано-силикона находится между корундумом и алмазом, а его механическая прочность выше, чем у Corundum. Он обладает высокой устойчивостью к износу и хорошей смазке.

Высокая теплопроводность: карбид нано-силикона обладает превосходной теплопроводностью и является отличным теплопроводящим материалом.

Низкий коэффициент термического расширения: это позволяет карбиду нано-силикона поддерживать стабильный размер и форму в условиях высокой температуры.

Высокая специфическая площадь поверхности: одна из характеристик наноматериалов, она способствует улучшению его поверхностной активности и характеристик реакции.

✔ Химические свойства

Химическая стабильность: карбид нано-силикона обладает стабильными химическими свойствами и может поддерживать свою производительность без изменений в различных средах.

Антиоксидирование: он может противостоять окислению при высоких температурах и демонстрирует превосходную высокотемпературную устойчивость.

✔Электрические свойства

High Bandgap: High Bandgap делает его идеальным материалом для создания высокочастотных, мощных и низкоэнергетических электронных устройств.

Высокая мобильность насыщения электронов: она способствует быстрой передаче электронов.

✔Другие характеристики

Сильное радиационное сопротивление: он может поддерживать стабильную производительность в радиационной среде.

Хорошие механические свойства: он обладает отличными механическими свойствами, такими как модуль высокой эластики.

Применение наноматериалов SIC

Электроника и полупроводниковые устройства: Благодаря своим превосходным электронным свойствам и высокотемпературной стабильности, карбид нано-силикона широко используется в мощных электронных компонентах, высокочастотных устройствах, оптоэлектронных компонентах и ​​других полях. В то же время это также один из идеальных материалов для производства полупроводниковых устройств.

Оптические приложения: Нано-силиконный карбид имеет широкую полос и отличные оптические свойства и может использоваться для производства высокопроизводительных лазеров, светодиодов, фотоэлектрических устройств и т. Д.

Механические детали: Используя преимущества своей высокой твердости и устойчивости к износу, карбид нано-силикона имеет широкий спектр применений в производстве механических деталей, таких как высокоскоростные режущие инструменты, подшипники, механические уплотнения и т. Д., что может значительно улучшить устойчивость к износу и срок службы деталей.

Нанокомпозитные материалы: Нано-силиконный карбид может быть объединен с другими материалами для образования нанокомпозитов для улучшения механических свойств, теплопроводности и коррозионной стойкости материала. Этот нанокомпозитный материал широко используется в аэрокосмической, автомобильной промышленности, энергетическом поле и т. Д.

Структурные материалы высокой температуры: NanoСиликоновый карбидимеет превосходную высокотемпературную стабильность и коррозионную стойкость и может использоваться в экстремальных высокотемпературных средах. Следовательно, он используется в качестве высокотемпературного структурного материала в аэрокосмической, нефтехимической, металлургии и других областях, таких как производствовысокотемпературные печи, Печики, прокладки печи и т. Д.

Другие приложения: NanoSilicon Carbide также используется в хранении водорода, фотокатализе и зондировании, показывая широкие перспективы применения.