Siliciumcarbid nanomaterialer

Siliciumcarbid nanomaterialer

Siliciumcarbidnanomaterialer (sic nanomaterialer) Se materialer sammensat afSiliciumcarbid (sic)med mindst en dimension i nanometerskalaen (normalt defineret som 1-100NM) i tredimensionelt rum. Siliciumcarbid-nanomaterialer kan klassificeres i nul-dimensionel, en-dimensionel, to-dimensionel og tredimensionel struktur i henhold til deres struktur.

Nul-dimensionelle nanostrukturerer strukturer, hvis alle dimensioner er på nanometerskalaen, hovedsageligt inklusive faste nanokrystaller, hule nanosfærer, hule nanokager og kerneskal nanosfærer.

En-dimensionelle nanostrukturerSe strukturer, hvor to dimensioner er begrænset til nanometerskalaen i tredimensionelt rum. Denne struktur har mange former, herunder nanotråd (fast center), nanorør (hule center), nanobelt eller nanobelter (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 nanoskala enhed. For eksempel kan bærere i en-dimensionelle nanostrukturer kun forplantes i en retning af strukturen (dvs. den langsgående retning af nanotråden eller nanorøret) og kan bruges som forbindelser og nøgleindretninger i nanoelektronik.

To-dimensionelle nanostrukturer, som kun har en dimension ved nanoskalaen, normalt vinkelret på deres lagplan, såsom nanosark, nanosark, nanosark og nanosfærer, har modtaget særlig opmærksomhed for nylig, ikke kun for den grundlæggende forståelse af deres vækstmekanisme, men også for at undersøge deres potentielle applikationer i lette emittere, sensorer, solarceller osv.

Tredimensionelle nanostrukturerkaldes normalt komplekse nanostrukturer, der dannes af en samling af en eller flere basale strukturelle enheder i nul-dimensionelle, en-dimensionelle og to-dimensionelle (såsom nanotråder eller nanoroder forbundet med enkeltkrystallkryds), ​​og deres samlede geometriske dimensioner er på nanometer eller mikrometer scale. Sådanne komplekse nanostrukturer med højt overfladeareal pr. Enhedsvolumen giver mange fordele, såsom lange optiske stier til effektiv lysabsorption, hurtig grænsefladeoverførsel og indstillelige ladningstransportfunktioner. Disse fordele gør det muligt for tredimensionelle nanostrukturer at fremme design i fremtidige energikonvertering og opbevaringsapplikationer. Fra 0D til 3D -strukturer er der undersøgt en lang række nanomaterialer og gradvist introduceret i industrien og dagligdagen.

Syntesemetoder til sic nanomaterialer

Nul-dimensionelle materialer kan syntetiseres ved hjælp af varm smeltemetode, elektrokemisk ætsningsmetode, laserpyrolysemetode osv. For at opnåSic fast stofNanokrystaller, der spænder fra et par nanometer til titusinder af nanometer, men er normalt pseudo-sfæriske, som vist i figur 1.

Figur 1 TEM-billeder af ß-SIC-nanokrystaller fremstillet ved forskellige metoder

(a) solvotermisk syntese [34]; (B) elektrokemisk ætsningsmetode [35]; (c) termisk behandling [48]; (d) Laserpyrolyse [49]

Dasog et al. Syntetiseret sfærisk ß-SIC-nanokrystaller med kontrollerbar størrelse og klar struktur ved fast tilstand dobbelt nedbrydningsreaktion 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 dannelse af SIC -nanotråd. I en typisk proces genereres dampstoffer, der anvendes som reaktanter til dannelse af det endelige produkt, ved fordampning, kemisk reduktion og gasformig reaktion (kræver høj temperatur). Selvom høj temperatur øger yderligere energiforbrug, har SIC -nanotrådene, der dyrkes ved denne metode, normalt høj krystalintegritet, klare nanotråde/nanoroder, nanoprismer, nanoneedler, nanorør, nanobelter, nanokabler osv., Som vist i figur 3.

Figur 3 Typiske morfologier af en-dimensionelle SIC-nanostrukturer 

(a) nanowire -arrays på kulstoffibre; (b) Ultralong nanotråd på Ni-Si-kugler; (c) nanowires; (d) nanoprismer; (E) Nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanoboner; (H) nanochains; (i) nanorør

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

To-dimensionelle nanomaterialer kan fremstilles ved solvotermiske metoder, pulserede lasere, carbon termisk reduktion, mekanisk eksfoliering og mikrobølgeplasma forbedretCVD. Ho et al. realiserede en 3D SIC-nanostruktur i form af en nanowire-blomst, 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 nanowire-blomst

Ydeevne af sic nanomaterialer

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

✔ Fysiske egenskaber

Høj hårdhed: Mikrohardheden af ​​nanosiliciumcarbid er mellem korund og diamant, og dets mekaniske styrke er højere end korund. Det har høj slidbestandighed og god selv-smøring.

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

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

Højt specifikt overfladeareal: Et af egenskaberne ved nanomaterialer, det er befordrende for at forbedre dens overfladeaktivitet og reaktionsydelse.

✔ 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 høj temperaturresistens.

✔Elektriske egenskaber

High Bandgap: Den høje båndgap gør det til et ideelt materiale til at fremstille højfrekvent, højeffekt og elektroniske enheder med lav energi.

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 høj elastisk modul.

Anvendelse af sic nanomaterialer

Elektronik og halvlederenheder: På grund af dets fremragende elektroniske egenskaber og høje temperaturstabilitet er nano-siliciumcarbid i vid udstrækning brugt i elektroniske komponenter med høj effekt, højfrekvente enheder, optoelektroniske komponenter og andre felter. På samme tid er det også et af de ideelle materialer til fremstilling af halvlederenheder.

Optiske applikationer: Nano-siliciumcarbid har et bredt båndgap og fremragende optiske egenskaber og kan bruges til at fremstille højtydende lasere, LED'er, fotovoltaiske enheder osv.

Mekaniske dele: Ved at drage fordel af sin høje hårdhed og slidstyrke har Nano-Silicon Carbide en bred vifte af applikationer til fremstilling af mekaniske dele, såsom højhastighedsskæringsværktøjer, lejer, mekaniske tætninger osv., Som kan forbedre delens bæremodstand og levetid.

Nanokompositmaterialer: Nano-siliciumcarbid kan kombineres med andre materialer til dannelse af nanokompositter for at forbedre materialets mekaniske egenskaber, termisk ledningsevne og korrosionsmodstand. Dette nanokompositmateriale er vidt brugt i rumfart, bilindustri, energifelt osv.

Strukturelle materialer med høj temperatur: NanoSiliciumcarbidHar fremragende høj temperaturstabilitet og korrosionsbestandighed og kan bruges i ekstreme miljøer med høj temperatur. Derfor bruges det som et strukturelt materiale med høj temperatur i rumfart, petrokemisk, metallurgi og andre felter, såsom fremstillingHøjtemperaturovne, ovnrør, ovnforinger osv.

Andre applikationer: Nano-siliciumcarbid bruges også i brintopbevaring, fotokatalyse og sensing, der viser brede applikationsudsigter.