Siliciumcarbid nanomaterialer

Siliciumcarbid nanomaterialer

Siliciumcarbid nanomaterialer (SiC nanomaterialer) refererer til materialer sammensat afsiliciumcarbid (SiC)med mindst én dimension i nanometerskalaen (normalt defineret som 1-100nm) i tredimensionelt rum. Siliciumcarbid nanomaterialer kan klassificeres i nul-dimensionelle, en-dimensionelle, to-dimensionelle og tre-dimensionelle strukturer i henhold til deres struktur.

Nuldimensionelle nanostrukturerer strukturer, hvis alle dimensioner er på nanometerskalaen, hovedsageligt inklusive faste nanokrystaller, hule nanosfærer, hule nanokager og kerne-skal nanosfærer.

Endimensionelle nanostrukturerrefererer til strukturer, hvor to dimensioner er begrænset til nanometerskalaen i tredimensionelt rum. Denne struktur har mange former, herunder nanotråde (fast centrum), nanorør (hult center), nanobånd eller nanobånd (smal rektangulært tværsnit) og nanoprismer (prismeformet tværsnit). Denne struktur er blevet fokus for intensiv forskning på grund af dens unikke anvendelser inden for mesoskopisk fysik og fremstilling af enheder i nanoskala. For eksempel kan bærere i endimensionelle nanostrukturer kun forplante sig i én retning af strukturen (dvs. den langsgående retning af nanotråden eller nanorøret), og kan bruges som sammenkoblinger og nøgleenheder i nanoelektronik.

Todimensionelle nanostrukturer, som kun har én dimension på nanoskalaen, normalt vinkelret på deres lagplan, såsom nanoark, nanoark, nanoark og nanosfærer, har fået særlig opmærksomhed for nylig, ikke kun for den grundlæggende forståelse af deres vækstmekanisme, men også for at udforske deres potentiale applikationer i lysgivere, sensorer, solceller mv.

Tredimensionelle nanostrukturerkaldes normalt komplekse nanostrukturer, som er dannet af en samling af en eller flere grundlæggende strukturelle enheder i nuldimensionelle, endimensionelle og todimensionelle (såsom nanotråde eller nanorods forbundet med enkeltkrystalforbindelser), og deres overordnede geometriske dimensioner er på nanometer- eller mikrometerskalaen. Sådanne komplekse nanostrukturer med højt overfladeareal pr. volumenenhed giver mange fordele, såsom lange optiske veje til effektiv lysabsorption, hurtig grænsefladeladningsoverførsel og justerbare ladningstransportevner. Disse fordele gør det muligt for tredimensionelle nanostrukturer at fremme design i fremtidige energikonverterings- og lagringsapplikationer. Fra 0D til 3D strukturer er en bred vifte af nanomaterialer blevet undersøgt og gradvist introduceret i industrien og dagligdagen.

Syntesemetoder af SiC nanomaterialer

Nuldimensionelle materialer kan syntetiseres ved varmsmeltemetode, elektrokemisk ætsningsmetode, laserpyrolysemetode osv. for at opnåSiC fastnanokrystaller, der spænder fra nogle få nanometer til snesevis af nanometer, men er normalt pseudo-sfæriske, som vist i figur 1.

Figur 1 TEM-billeder af β-SiC nanokrystaller fremstillet ved forskellige metoder

(a) Solvotermisk syntese[34]; (B) Elektrokemisk ætsningsmetode[35]; (c) Termisk behandling[48]; (d) Laserpyrolyse[49]

Dasog et al. syntetiserede sfæriske β-SiC nanokrystaller med kontrollerbar størrelse og klar struktur ved faststof-dobbeltnedbrydningsreaktion mellem SiO2, Mg og C-pulvere [55], som vist i figur 2.

Figur 2 FESEM billeder af sfæriske SiC nanokrystaller med forskellige diametre[55]

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

Dampfasemetode til dyrkning af SiC nanotråde. Gasfasesyntese er den mest modne metode til at danne SiC nanotråde. I en typisk proces genereres dampstoffer, der bruges som reaktanter til at danne slutproduktet, ved fordampning, kemisk reduktion og gasformig reaktion (der kræver høj temperatur). Selvom høj temperatur øger yderligere energiforbrug, har SiC nanotrådene dyrket ved denne metode sædvanligvis høj krystalintegritet, klare nanotråde/nanostave, nanoprismer, nanonåle, nanorør, nanobånd, nanokabler osv., som vist i figur 3.

Figur 3. Typiske morfologier af en-dimensionelle SiC nanostrukturer 

(a) Nanowire-arrays på kulfibre; (b) Ultralange nanotråde på Ni-Si-kugler; (c) Nanotråde; (d) Nanoprismer; (e) nanobambus; (f) Nanonåle; (g) nanoknogler; (h) Nanokæder; (i) Nanorør

Løsningsmetode til fremstilling af SiC nanotråde. Opløsningsmetoden bruges til at fremstille SiC nanotråde, hvilket reducerer reaktionstemperaturen. Fremgangsmåden kan omfatte krystallisering af en opløsningsfase-precursor gennem spontan kemisk reduktion eller andre reaktioner ved en relativt mild temperatur. Som repræsentanter for opløsningsmetoden er solvotermisk syntese og hydrotermisk syntese almindeligvis blevet brugt til at opnå SiC nanotråde ved lave temperaturer.

Todimensionelle nanomaterialer kan fremstilles ved solvotermiske metoder, pulserende lasere, kulstoftermisk reduktion, mekanisk eksfoliering og forbedret mikrobølgeplasmaCVD. Ho et al. realiseret en 3D SiC nanostruktur i form af en nanotrådsblomst, som vist i figur 4. SEM-billedet viser, at den blomsterlignende struktur har en diameter på 1-2 μm og en længde på 3-5 μm.

Figur 4 SEM-billede af en tredimensionel SiC nanotrådsblomst

Ydeevne af SiC nanomaterialer

SiC nanomaterialer er et avanceret keramisk materiale med fremragende ydeevne, som har gode fysiske, kemiske, elektriske og andre egenskaber.

✔ Fysiske egenskaber

Høj hårdhed: Mikrohårdheden af ​​nano-siliciumcarbid er mellem korund og diamant, og dens mekaniske styrke er højere end korund. Den har høj slidstyrke og god selvsmøring.

Høj termisk ledningsevne: Nano-siliciumcarbid har fremragende termisk ledningsevne og er et fremragende termisk ledende materiale.

Lav termisk udvidelseskoefficient: Dette gør det muligt for nano-siliciumcarbid at opretholde en stabil størrelse og form under høje temperaturforhold.

Højt specifikt overfladeareal: Et af nanomaterialernes egenskaber, det er befordrende for at forbedre dets overfladeaktivitet og reaktionsevne.

✔ Kemiske egenskaber

Kemisk stabilitet: Nano-siliciumcarbid har stabile kemiske egenskaber og kan opretholde sin ydeevne uændret under forskellige miljøer.

Antioxidation: Det kan modstå oxidation ved høje temperaturer og udviser fremragende højtemperaturbestandighed.

✔Elektriske egenskaber

Højt båndgab: Det høje båndgab gør det til et ideelt materiale til fremstilling af højfrekvente elektroniske enheder med høj effekt og lavenergi.

Høj elektronmætningsmobilitet: Det er befordrende for hurtig transmission af elektroner.

✔Andre egenskaber

Stærk strålingsmodstand: Det kan opretholde stabil ydeevne i et strålingsmiljø.

Gode ​​mekaniske egenskaber: Det har fremragende mekaniske egenskaber såsom højt elasticitetsmodul.

Anvendelse af SiC nanomaterialer

Elektronik og halvlederenheder: På grund af dets fremragende elektroniske egenskaber og højtemperaturstabilitet er nano-siliciumcarbid meget udbredt i højeffekt elektroniske komponenter, højfrekvente enheder, optoelektroniske komponenter og andre områder. Samtidig er det også et af de ideelle materialer til fremstilling af halvlederenheder.

Optiske applikationer: Nano-siliciumcarbid har et bredt båndgab og fremragende optiske egenskaber og kan bruges til at fremstille højtydende lasere, LED'er, solcelleapparater mv.

Mekaniske dele: Ved at drage fordel af sin høje hårdhed og slidstyrke har nano-siliciumcarbid en bred vifte af applikationer til fremstilling af mekaniske dele, såsom højhastigheds skæreværktøjer, lejer, mekaniske tætninger osv., som i høj grad kan forbedre sliddet delenes modstand og levetid.

Nanokompositmaterialer: Nano-siliciumcarbid kan kombineres med andre materialer for at danne nanokompositter for at forbedre materialets mekaniske egenskaber, varmeledningsevne og korrosionsbestandighed. Dette nanokompositmateriale er meget udbredt i rumfart, bilindustrien, energiområdet osv.

Højtemperatur strukturelle materialer: Nanosiliciumcarbidhar fremragende højtemperaturstabilitet og korrosionsbestandighed og kan bruges i ekstremt høje temperaturmiljøer. Derfor bruges det som et højtemperatur strukturelt materiale i rumfart, petrokemiske, metallurgi og andre områder, såsom fremstillinghøjtemperaturovne, ovnrør, ovnforinger mv.

Andre applikationer: Nano-siliciumcarbid bruges også til brintlagring, fotokatalyse og sensing, hvilket viser brede anvendelsesmuligheder.