Nanomateriály karbidu křemíku

Nanomateriály karbidu křemíku

Nanomateriály karbidu křemíku (nanomateriály SiC) označují materiály složené zkarbid křemíku (SiC)s alespoň jedním rozměrem v nanometrovém měřítku (obvykle definovaném jako 1-100nm) v trojrozměrném prostoru. Nanomateriály karbidu křemíku lze podle struktury rozdělit na nulové, jednorozměrné, dvourozměrné a trojrozměrné struktury.

Nultorozměrné nanostrukturyjsou struktury, jejichž všechny rozměry jsou v nanometrovém měřítku, zejména včetně pevných nanokrystalů, dutých nanokuliček, dutých nanočástí a nanosfér s jádrem a obalem.

Jednorozměrné nanostrukturyodkazují na struktury, ve kterých jsou dva rozměry omezeny na nanometrové měřítko v trojrozměrném prostoru. Tato struktura má mnoho podob, včetně nanodrátů (plný střed), nanotrubic (dutý střed), nanopásů nebo nanopásů (úzký obdélníkový průřez) a nanohranolů (průřez ve tvaru hranolu). Tato struktura se stala středem intenzivního výzkumu díky svým unikátním aplikacím v mezoskopické fyzice a výrobě zařízení v nanoměřítku. Například nosiče v jednorozměrných nanostrukturách se mohou šířit pouze v jednom směru struktury (tj. v podélném směru nanodrátu nebo nanotrubice) a mohou být použity jako propojovací a klíčová zařízení v nanoelektronice.

Dvourozměrné nanostruktury, které mají v nanoměřítku pouze jeden rozměr, obvykle kolmý na rovinu své vrstvy, jako jsou nanovrstvy, nanovrstvy, nanovrstvy a nanosféry, v poslední době získaly zvláštní pozornost, a to nejen pro základní pochopení mechanismu jejich růstu, ale také pro zkoumání jejich potenciálu. aplikace ve světelných zářičích, senzorech, solárních článcích atd.

Trojrozměrné nanostrukturyse obvykle nazývají komplexní nanostruktury, které jsou tvořeny souborem jedné nebo více základních strukturních jednotek v nulových, jednorozměrných a dvourozměrných rozměrech (jako jsou nanodrátky nebo nanotyčinky spojené monokrystalovými spoji) a jejich celkovými geometrickými rozměry jsou na stupnici nanometrů nebo mikrometrů. Takové komplexní nanostruktury s velkým povrchem na jednotku objemu poskytují mnoho výhod, jako jsou dlouhé optické dráhy pro účinnou absorpci světla, rychlý mezifázový přenos náboje a laditelné schopnosti přenosu náboje. Tyto výhody umožňují trojrozměrným nanostrukturám posunout design v budoucích aplikacích přeměny a skladování energie. Od 0D po 3D struktury byla studována široká škála nanomateriálů, které byly postupně zavedeny do průmyslu a každodenního života.

Metody syntézy SiC nanomateriálů

Materiály s nulovými rozměry lze syntetizovat metodou horké taveniny, metodou elektrochemického leptání, metodou laserové pyrolýzy atd.SiC pevná látkananokrystaly v rozsahu od několika nanometrů do desítek nanometrů, ale jsou obvykle pseudokulovité, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1 TEM snímky β-SiC nanokrystalů připravených různými metodami

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

Dasog a kol. syntetizované sférické nanokrystaly β-SiC s regulovatelnou velikostí a čirou strukturou pomocí dvojité rozkladné reakce v pevné fázi mezi SiO2, Mg a C prášky[55], jak je znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2 FESEM snímky sférických nanokrystalů SiC s různými průměry[55]

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

Metoda parní fáze pro pěstování nanodrátů SiC. Syntéza v plynné fázi je nejvyspělejší metodou pro tvorbu nanodrátů SiC. V typickém procesu jsou páry používané jako reaktanty k vytvoření konečného produktu generovány odpařováním, chemickou redukcí a plynnou reakcí (vyžadující vysokou teplotu). Ačkoli vysoká teplota zvyšuje další spotřebu energie, nanodrátky SiC pěstované touto metodou mají obvykle vysokou krystalickou integritu, čiré nanodrátky/nanotyčky, nanohranoly, nanojehly, nanotrubice, nanopásy, nanokabely atd., jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3 Typické morfologie jednorozměrných nanostruktur SiC 

a) nanodrátová pole na uhlíkových vláknech; (b) Ultradlouhé nanodrátky na Ni-Si kuličkách; (c) nanodrátky; (d) nanohranoly; (e) nanobambus; (f) nanojehly; (g) nanobony; (h) nanořetězce; (i) Nanotrubice

Roztoková metoda přípravy SiC nanodrátů. K přípravě SiC nanodrátů se používá roztoková metoda, která snižuje reakční teplotu. Způsob může zahrnovat krystalizaci prekurzoru v roztoku prostřednictvím spontánní chemické redukce nebo jiných reakcí při relativně mírné teplotě. Jako zástupci rozpouštěcí metody se běžně používají solvotermální syntéza a hydrotermální syntéza k získání nanodrátů SiC při nízkých teplotách.

Dvourozměrné nanomateriály lze připravit solvotermálními metodami, pulzními lasery, tepelnou redukcí uhlíku, mechanickou exfoliaci a zesílením mikrovlnným plazmatem.CVD. Ho a kol. realizoval 3D SiC nanostrukturu ve tvaru květu nanodrátu, jak je znázorněno na obrázku 4. Obrázek SEM ukazuje, že struktura podobná květu má průměr 1-2 μm a délku 3-5 μm.

Obrázek 4 SEM snímek trojrozměrného květu z nanovlákna SiC

Výkon nanomateriálů SiC

Nanomateriály SiC jsou pokročilý keramický materiál s vynikajícím výkonem, který má dobré fyzikální, chemické, elektrické a další vlastnosti.

✔ Fyzikální vlastnosti

Vysoká tvrdost: Mikrotvrdost nanokarbidu křemíku je mezi korundem a diamantem a jeho mechanická pevnost je vyšší než u korundu. Má vysokou odolnost proti opotřebení a dobré samomazání.

Vysoká tepelná vodivost: Nano-karbid křemíku má vynikající tepelnou vodivost a je vynikajícím tepelně vodivým materiálem.

Nízký koeficient tepelné roztažnosti: To umožňuje nanokarbidu křemíku udržet si stabilní velikost a tvar za podmínek vysokých teplot.

Vysoký specifický povrch: Jedna z charakteristik nanomateriálů přispívá ke zlepšení jejich povrchové aktivity a reakčního výkonu.

✔ Chemické vlastnosti

Chemická stabilita: Nano-karbid křemíku má stabilní chemické vlastnosti a může si zachovat svůj výkon beze změny v různých prostředích.

Antioxidace: Může odolávat oxidaci při vysokých teplotách a vykazuje vynikající odolnost vůči vysokým teplotám.

✔Elektrické vlastnosti

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

Vysoká pohyblivost elektronového nasycení: Napomáhá rychlému přenosu elektronů.

✔Další vlastnosti

Silná radiační odolnost: Může udržovat stabilní výkon v radiačním prostředí.

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

Aplikace nanomateriálů SiC

Elektronika a polovodičová zařízení: Díky svým vynikajícím elektronickým vlastnostem a vysokoteplotní stabilitě je nanokarbid křemíku široce používán ve vysoce výkonných elektronických součástkách, vysokofrekvenčních zařízeních, optoelektronických součástkách a dalších oborech. Zároveň je to také jeden z ideálních materiálů pro výrobu polovodičových součástek.

Optické aplikace: Nanokarbid křemíku má široký pásový odstup a vynikající optické vlastnosti a lze jej použít k výrobě vysoce výkonných laserů, LED diod, fotovoltaických zařízení atd.

Mechanické díly: Díky své vysoké tvrdosti a odolnosti proti opotřebení má nanokarbid křemíku širokou škálu aplikací při výrobě mechanických dílů, jako jsou vysokorychlostní řezné nástroje, ložiska, mechanické těsnění atd., což může výrazně zlepšit opotřebení. odolnost a životnost dílů.

Nanokompozitní materiály: Nanokarbid křemíku lze kombinovat s jinými materiály za účelem vytvoření nanokompozitů pro zlepšení mechanických vlastností, tepelné vodivosti a odolnosti materiálu proti korozi. Tento nanokompozitní materiál je široce používán v letectví, automobilovém průmyslu, energetice atd.

Vysokoteplotní konstrukční materiály: Nanokarbid křemíkumá vynikající stabilitu při vysokých teplotách a odolnost proti korozi a může být použit v prostředí s extrémně vysokou teplotou. Proto se používá jako vysokoteplotní konstrukční materiál v letectví, petrochemii, metalurgii a dalších oborech, jako je výrobavysokoteplotní pece, trubky pece, obložení pecí atd.

Jiné aplikace: Nanokarbid křemíku se také používá při skladování vodíku, fotokatalýze a snímání, což má široké uplatnění.