Наноматериалы карбида кремния

Наноматериалы карбида кремния

Наноматериалы карбида кремния (наноматериалы SiC) относятся к материалам, состоящим изкарбид кремния (SiC)по крайней мере, с одним измерением в нанометровом масштабе (обычно определяемом как 1-100 нм) в трехмерном пространстве. Наноматериалы карбида кремния можно разделить на нульмерные, одномерные, двумерные и трехмерные структуры в зависимости от их структуры.

Нульмерные наноструктурыпредставляют собой структуры, все размеры которых находятся в нанометровом масштабе, в основном включая твердые нанокристаллы, полые наносферы, полые наноклетки и наносферы ядро-оболочка.

Одномерные наноструктурыотносятся к структурам, в которых два измерения ограничены нанометровым масштабом в трехмерном пространстве. Эта структура имеет множество форм, включая нанопроволоки (сплошной центр), нанотрубки (полый центр), наноремни или наноремни (узкое прямоугольное поперечное сечение) и нанопризмы (призменное поперечное сечение). Эта структура стала предметом интенсивных исследований из-за ее уникального применения в мезоскопической физике и производстве наноразмерных устройств. Например, носители в одномерных наноструктурах могут распространяться только в одном направлении структуры (т.е. в продольном направлении нанопроволоки или нанотрубки) и могут использоваться в качестве межсоединений и ключевых устройств в наноэлектронике.

Двумерные наноструктуры, которые имеют только одно измерение на наноуровне, обычно перпендикулярное плоскости их слоя, такие как нанолисты, нанолисты, нанолисты и наносферы, в последнее время получили особое внимание не только для базового понимания механизма их роста, но и для изучения их потенциала. применение в излучателях света, датчиках, солнечных элементах и ​​т. д.

Трехмерные наноструктурыобычно называются сложными наноструктурами, которые образованы совокупностью одной или нескольких основных структурных единиц в нульмерном, одномерном и двумерном исполнении (например, нанонити или наностержни, соединенные монокристаллическими соединениями), а также их общие геометрические размеры. находятся в масштабе нанометра или микрометра. Такие сложные наноструктуры с большой площадью поверхности на единицу объема обеспечивают множество преимуществ, таких как длинные оптические пути для эффективного поглощения света, быстрый межфазный перенос заряда и возможности настраиваемого переноса заряда. Эти преимущества позволяют трехмерным наноструктурам продвигать дизайн в будущих приложениях преобразования и хранения энергии. Широкий спектр наноматериалов, от 0D до 3D-структур, был изучен и постепенно внедрен в промышленность и повседневную жизнь.

Методы синтеза наноматериалов SiC

Нульмерные материалы могут быть синтезированы методом горячего расплава, методом электрохимического травления, методом лазерного пиролиза и т. д. для полученияSiC твердыйнанокристаллы размером от нескольких нанометров до десятков нанометров, но обычно имеют псевдосферическую форму, как показано на рисунке 1.

Рис. 1. ПЭМ-изображения нанокристаллов β-SiC, полученных разными методами.

а) сольвотермический синтез[34]; (Б) метод электрохимического травления [35]; (c) Термическая обработка[48]; (г) Лазерный пиролиз[49]

Дасог и др. синтезировали сферические нанокристаллы β-SiC с контролируемым размером и четкой структурой путем реакции двойного твердотельного разложения между порошками SiO2, Mg и C [55], как показано на рисунке 2.

Рис. 2. FESEM-изображения сферических нанокристаллов SiC различного диаметра [55]

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

Парофазный метод выращивания нанопроволок SiC. Газофазный синтез является наиболее зрелым методом формирования нанопроволок SiC. В типичном процессе парообразные вещества, используемые в качестве реагентов для образования конечного продукта, образуются путем испарения, химического восстановления и газовой реакции (требующей высокой температуры). Хотя высокая температура увеличивает дополнительное потребление энергии, нанопроволоки SiC, выращенные этим методом, обычно имеют высокую кристаллическую целостность, прозрачные нанопроволоки/наностержни, нанопризмы, наноиглы, нанотрубки, наноремни, нанокабели и т. д., как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Типичная морфология одномерных наноструктур SiC. 

(а) Массивы нанопроволок на углеродных волокнах; (б) Сверхдлинные нанопроволоки на шариках Ni-Si; (в) нанопроволоки; (г) нанопризмы; (д) нанобамбук; (е) наноиглы; (g) нанокости; (з) Наноцепи; (i) Нанотрубки

Метод решения для получения нанопроволок SiC. Для получения нанопроволок SiC используется растворный метод, что снижает температуру реакции. Способ может включать кристаллизацию предшественника фазы раствора посредством спонтанного химического восстановления или других реакций при относительно мягкой температуре. В качестве представителей метода растворов для получения нанопроволок SiC при низких температурах обычно используются сольвотермический синтез и гидротермальный синтез.

Двумерные наноматериалы могут быть получены сольвотермическими методами, импульсными лазерами, термическим восстановлением углерода, механическим расслоением и усилением микроволновой плазмы.ССЗ. Хо и др. реализовали 3D-наноструктуру SiC в форме цветка из нанопроволоки, как показано на рисунке 4. СЭМ-изображение показывает, что структура, похожая на цветок, имеет диаметр 1-2 мкм и длину 3-5 мкм.

Рис. 4. СЭМ-изображение трехмерного цветка из нанопроволоки SiC.

Характеристики наноматериалов SiC

Наноматериалы SiC представляют собой современный керамический материал с превосходными характеристиками, обладающий хорошими физическими, химическими, электрическими и другими свойствами.

✔ Физические свойства

Высокая твердость: микротвердость нанокарбида кремния находится между корундом и алмазом, а его механическая прочность выше, чем у корунда. Обладает высокой износостойкостью и хорошей самосмазкой.

Высокая теплопроводность: нанокарбид кремния обладает превосходной теплопроводностью и является отличным теплопроводным материалом.

Низкий коэффициент теплового расширения: это позволяет нанокарбиду кремния сохранять стабильный размер и форму в условиях высоких температур.

Высокая удельная поверхность: одна из характеристик наноматериалов. Она способствует улучшению поверхностной активности и эффективности реакции.

✔ Химические свойства

Химическая стабильность: нанокарбид кремния обладает стабильными химическими свойствами и может сохранять свои характеристики неизменными в различных средах.

Антиоксидация: он может противостоять окислению при высоких температурах и демонстрирует отличную устойчивость к высоким температурам.

✔Электрические свойства

Большая запрещенная зона. Большая запрещенная зона делает его идеальным материалом для изготовления высокочастотных, мощных и малоэнергетических электронных устройств.

Высокая подвижность насыщения электронов: способствует быстрой передаче электронов.

✔Другие характеристики

Сильная радиационная стойкость: он может поддерживать стабильную работу в радиационной среде.

Хорошие механические свойства: он обладает превосходными механическими свойствами, такими как высокий модуль упругости.

Применение наноматериалов SiC

Электроника и полупроводниковые приборы: Благодаря своим превосходным электронным свойствам и высокотемпературной стабильности нанокарбид кремния широко используется в мощных электронных компонентах, высокочастотных устройствах, оптоэлектронных компонентах и ​​других областях. В то же время это также один из идеальных материалов для изготовления полупроводниковых приборов.

Оптические приложения: Нанокарбид кремния обладает широкой запрещенной зоной и превосходными оптическими свойствами и может использоваться для производства высокопроизводительных лазеров, светодиодов, фотоэлектрических устройств и т. д.

Механические части: Благодаря своей высокой твердости и износостойкости нанокремниевый карбид имеет широкий спектр применения при производстве механических деталей, таких как высокоскоростные режущие инструменты, подшипники, механические уплотнения и т. д., что может значительно снизить износ. устойчивость и срок службы деталей.

Нанокомпозитные материалы: Нанокарбид кремния можно комбинировать с другими материалами для образования нанокомпозитов для улучшения механических свойств, теплопроводности и коррозионной стойкости материала. Этот нанокомпозитный материал широко используется в аэрокосмической, автомобильной промышленности, энергетике и т. д.

Высокотемпературные конструкционные материалы: Нанокарбид кремнияобладает превосходной стабильностью при высоких температурах и коррозионной стойкостью и может использоваться в условиях экстремально высоких температур. Поэтому он используется в качестве высокотемпературного конструкционного материала в аэрокосмической, нефтехимической, металлургической и других областях, таких как производство.высокотемпературные печи, печные трубы, футеровка печей и т.д.

Другие приложения: Нанокарбид кремния также используется в хранении водорода, фотокатализе и зондировании, демонстрируя широкие перспективы применения.