Silisiumkarbid nanomaterialer

Silisiumkarbid nanomaterialer

Silisiumkarbid nanomaterialer (sic nanomaterialer) refererer til materialer sammensatt avsilisiumkarbid (sic)med minst en dimensjon i nanometerskalaen (vanligvis definert som 1-100nm) i tredimensjonalt rom. Silisiumkarbid-nanomaterialer kan klassifiseres til nulldimensjonale, endimensjonale, todimensjonale og tredimensjonale strukturer i henhold til deres struktur.

Null-dimensjonale nanostrukturerer strukturer hvis alle dimensjoner er i nanometerskalaen, hovedsakelig inkludert faste nanokrystaller, hule nanosfærer, hule nanocager og kjerneskall-nanosfærer.

Endimensjonale nanostrukturerSe strukturer der to dimensjoner er begrenset til nanometerskalaen i tredimensjonalt rom. Denne strukturen har mange former, inkludert nanotråder (solid sentrum), nanorør (hul sentrum), nanobelter eller nanobelter (smale rektangulære tverrsnitt) og nanopriser (prismeformet tverrsnitt). Denne strukturen har blitt fokus for intensiv forskning på grunn av sine unike applikasjoner innen mesoskopisk fysikk og produksjon av nanoskala enhet. For eksempel kan bærere i endimensjonale nanostrukturer bare forplante seg i en retning av strukturen (dvs. langsgående retning av nanotråd eller nanorør), og kan brukes som sammenkoblinger og nøkkelenheter i nanoelektronikk.

Todimensjonale nanostrukturersom bare har en dimensjon ved nanoskalaen, vanligvis vinkelrett på lagplanet, for eksempel nanosheets, nanosheets, nanosheets og nanosfærer, har fått spesiell oppmerksomhet nylig, ikke bare for den grunnleggende forståelsen av deres vekstmekanisme, men også for å utforske sine potensielle applikasjon

Tredimensjonale nanostrukturerkalles vanligvis komplekse nanostrukturer, som dannes av en samling av en eller flere grunnleggende strukturelle enheter i nulldimensjonale, endimensjonale og todimensjonale (for eksempel nanotråder eller nanoroder koblet med enkeltkrystallkryss), og deres samlede geometriske dimensjoner er på nanometeret eller mikrometer skala. Slike komplekse nanostrukturer med høyt overflateareal per volum enhet gir mange fordeler, for eksempel lange optiske veier for effektiv lysabsorpsjon, rask grensesnittladningsoverføring og avstembare ladningstransportfunksjoner. Disse fordelene gjør det mulig for tredimensjonale nanostrukturer å fremme design i fremtidige energikonvertering og lagringsapplikasjoner. Fra 0D til 3D -strukturer har et bredt utvalg av nanomaterialer blitt studert og gradvis introdusert i industri og dagligliv.

Syntese metoder for SIC nanomaterialer

Nulldimensjonale materialer kan syntetiseres ved hjelpSic fastNanokrystaller som spenner fra noen få nanometer til titalls nanometer, men er vanligvis pseudo-sfæriske, som vist i figur 1.

Figur 1 TEM-bilder av β-SIC nanokrystaller fremstilt ved forskjellige metoder

(a) Solvotermisk syntese [34]; (B) elektrokjemisk etsemetode [35]; (c) termisk prosessering [48]; (d) Laserpyrolyse [49]

Dasog et al. Syntetiserte sfæriske β-SIC nanokrystaller med kontrollerbar størrelse og klar struktur ved solid-state dobbel nedbrytningsreaksjon mellom SiO2, Mg og C pulver [55], som vist i figur 2.

Figur 2 Fesem -bilder av sfæriske SIC -nanokrystaller med forskjellige diametre [55]

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

Vaporfasemetode for dyrking av SIC nanotråd. Gassfasesyntese er den mest modne metoden for å danne SIC -nanotråder. I en typisk prosess genereres dampstoffer som brukes som reaktanter for å danne sluttproduktet ved fordampning, kjemisk reduksjon og gass reaksjon (som krever høy temperatur). Selv om høy temperatur øker ytterligere energiforbruk, har SIC -nanotrådene dyrket ved denne metoden vanligvis høy krystallintegritet, klare nanotråder/nanoroder, nanoprismenn, nanoneedles, nanotuber, nanobelts, nanocables, etc., som vist i figur 3.

Figur 3 Typiske morfologier av endimensjonale SIC-nanostrukturer 

(a) Nanotrådsarrays på karbonfibre; (b) ultralong nanotråd på Ni-Si-baller; (c) nanotråd; (d) nanopriser; (E) nanobambus; (f) nanoneedles; (g) nanoboner; (H) nanochains; (i) nanorør

Løsningsmetode for fremstilling av SIC nanotråd. Løsningsmetoden brukes til å fremstille SIC -nanotråd, noe som reduserer reaksjonstemperaturen. Metoden kan omfatte krystallisering av en løsningsfaseforløper gjennom spontan kjemisk reduksjon eller andre reaksjoner ved en relativt mild temperatur. Som representanter for løsningsmetoden har solvotermisk syntese og hydrotermisk syntese ofte blitt brukt for å oppnå SIC -nanotråder ved lave temperaturer.

To-dimensjonale nanomaterialer kan fremstilles ved solvotermiske metoder, pulserende lasere, karbontermisk reduksjon, mekanisk peeling og mikrobølgeplasmaforbedretCVD. Ho et al. innså en 3D SIC nanostruktur i form av en nanotrådblomst, som vist i figur 4. SEM-bildet viser at den blomsterlignende strukturen har en diameter på 1-2 μm og en lengde på 3-5 μm.

Figur 4 SEM-bilde av en tredimensjonal SiC Nanowire-blomst

Ytelse av SiC nanomaterialer

SIC nanomaterialer er et avansert keramisk materiale med utmerket ytelse, som har gode fysiske, kjemiske, elektriske og andre egenskaper.

✔ Fysiske egenskaper

Høy hardhet: Mikrohardheten til nano-silisiumkarbid er mellom korund og diamant, og dens mekaniske styrke er høyere enn for korund. Den har høy slitestyrke og god selv-smøring.

Høy termisk ledningsevne: Nano-silisiumkarbid har utmerket termisk konduktivitet og er et utmerket termisk ledende materiale.

Lav termisk ekspansjonskoeffisient: Dette gjør at nano-silisiumkarbid kan opprettholde en stabil størrelse og form under høye temperaturforhold.

Høyt spesifikt overflateareal: Et av egenskapene til nanomaterialer, det bidrar til å forbedre overflateaktiviteten og reaksjonsytelsen.

✔ Kjemiske egenskaper

Kjemisk stabilitet: Nano-silisiumkarbid har stabile kjemiske egenskaper og kan opprettholde ytelsen uendret under forskjellige miljøer.

Antioksidasjon: Det kan motstå oksidasjon ved høye temperaturer og viser utmerket høy temperaturmotstand.

✔Elektriske egenskaper

High Bandgap: High Bandgap gjør det til et ideelt materiale for å lage elektroniske enheter med høy frekvens, høykraft og lavenergi.

Mobilitet med høy elektronmetning: Det bidrar til rask overføring av elektroner.

✔Andre egenskaper

Sterk strålingsmotstand: Den kan opprettholde stabil ytelse i et strålingsmiljø.

Gode ​​mekaniske egenskaper: Den har utmerkede mekaniske egenskaper som høy elastisk modul.

Anvendelse av SIC nanomaterialer

Elektronikk og halvlederenheter: På grunn av sine utmerkede elektroniske egenskaper og høye temperaturstabilitet, er nano-silisiumkarbid mye brukt i elektroniske komponenter med høy effekt, høyfrekvente enheter, optoelektroniske komponenter og andre felt. Samtidig er det også et av de ideelle materialene for å produsere halvlederenheter.

Optiske applikasjoner: Nano-silisiumkarbid har et bredt bandgap og utmerkede optiske egenskaper, og kan brukes til å produsere lasere med høy ytelse, lysdioder, solcelleanordninger osv.

Mekaniske deler: Utnyttelse av sin høye hardhet og slitestyrke, har nano-silisiumkarbid et bredt spekter av applikasjoner i fremstilling av mekaniske deler, for eksempel høyhastighets skjæreverktøy, lagre, mekaniske tetninger, etc., noe som kan forbedre slitasjemotstanden og levetiden til delene.

Nanokomposittmaterialer: Nano-silisiumkarbid kan kombineres med andre materialer for å danne nanokompositter for å forbedre de mekaniske egenskapene, termisk ledningsevne og korrosjonsmotstanden til materialet. Dette nanokomposittmaterialet er mye brukt innen luftfart, bilindustri, energifelt osv.

Strukturelle materialer med høy temperatur: NanoSilisiumkarbidhar utmerket høy temperaturstabilitet og korrosjonsmotstand, og kan brukes i ekstreme miljøer med høy temperatur. Derfor brukes det som et strukturelt materiale med høy temperatur innen luftfart, petrokjemisk, metallurgi og andre felt, for eksempel produksjonOvner med høy temperatur, ovnrør, ovnforinger, etc.

Andre applikasjoner: Nanosilisiumkarbid brukes også i hydrogenlagring, fotokatalyse og sensing, og viser brede applikasjonsutsikter.