Наноматеријали силицијум карбида

Наноматеријали силицијум карбида

Наноматеријали силицијум карбида (СиЦ наноматеријали) односе се на материјале који се састоје одсилицијум карбид (СиЦ)са најмање једном димензијом у нанометарској скали (обично дефинисаној као 1-100нм) у тродимензионалном простору. Наноматеријали силицијум карбида се према својој структури могу класификовати на нулто-димензионалне, једнодимензионалне, дводимензионалне и тродимензионалне структуре.

Нулдимензионалне наноструктуресу структуре чије су све димензије на нанометарској скали, углавном укључујући чврсте нанокристале, шупље наносфере, шупље нанокавезе и наносфере језгро-љуска.

Једнодимензионалне наноструктуреодносе се на структуре у којима су две димензије ограничене на нанометарску скалу у тродимензионалном простору. Ова структура има много облика, укључујући наножице (чврсти центар), наноцеви (шупљи центар), нанопојасеве или нанопојасе (уски правоугаони попречни пресек) и нанопризме (попречни пресек у облику призме). Ова структура је постала фокус интензивних истраживања због своје јединствене примене у мезоскопској физици и производњи уређаја наноразмера. На пример, носачи у једнодимензионалним наноструктурама могу се ширити само у једном правцу структуре (тј. у уздужном смеру наножице или наноцеви), и могу се користити као интерконекције и кључни уређаји у наноелектроници.

Дводимензионалне наноструктуре, које имају само једну димензију на наноразмери, обично окомиту на њихову раван слоја, као што су нанолистови, нанолистови, нанолистови и наносфере, недавно су добили посебну пажњу, не само због основног разумевања њиховог механизма раста, већ и због истраживања њиховог потенцијала. примена у емитерима светлости, сензорима, соларним ћелијама итд.

Тродимензионалне наноструктуресе обично називају сложене наноструктуре, које су формиране скупом једне или више основних структурних јединица у нулто-димензионалним, једнодимензионалним и дводимензионалним (као што су наножице или наношипови повезани једнокристалним спојевима), и њихове укупне геометријске димензије су на нанометарској или микрометарској скали. Такве сложене наноструктуре са великом површином по јединици запремине пружају многе предности, као што су дуге оптичке путање за ефикасну апсорпцију светлости, брзи међуфазни пренос наелектрисања и подесиви пренос наелектрисања. Ове предности омогућавају тродимензионалним наноструктурама да унапреде дизајн у будућим апликацијама за конверзију и складиштење енергије. Од 0Д до 3Д структура, проучаван је широк спектар наноматеријала и постепено уведен у индустрију и свакодневни живот.

Методе синтезе СиЦ наноматеријала

Материјали нулте димензије могу се синтетизовати методом врућег топљења, методом електрохемијског јеткања, методом ласерске пиролизе, итд.СиЦ чврстнанокристали у распону од неколико нанометара до десетина нанометара, али су обично псеудо-сферични, као што је приказано на слици 1.

Слика 1 ТЕМ слике β-СиЦ нанокристала припремљених различитим методама

(а) Солвотермална синтеза[34]; (Б) Метода електрохемијског јеткања[35]; (ц) термичка обрада[48]; (д) Ласерска пиролиза[49]

Дасог и др. синтетизовани сферни β-СиЦ нанокристали са контролисаном величином и јасном структуром реакцијом двоструког разлагања у чврстом стању између прахова СиО2, Мг и Ц[55], као што је приказано на слици 2.

Слика 2 ФЕСЕМ слике сферичних СиЦ нанокристала различитих пречника[55]

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

Метода парне фазе за узгој СиЦ наножица. Синтеза у гасној фази је најзрелији метод за формирање СиЦ наножица. У типичном процесу, паре које се користе као реактанти за формирање коначног производа настају испаравањем, хемијском редукцијом и гасовитом реакцијом (која захтева високу температуру). Иако висока температура повећава додатну потрошњу енергије, СиЦ наножице које се узгајају овом методом обично имају висок кристални интегритет, јасне наножице/наношипке, нанопризме, наноигле, наноцеви, нанокамење, нанокаблови, итд., као што је приказано на слици 3.

Слика 3 Типичне морфологије једнодимензионалних СиЦ наноструктура 

(а) низови наножица на карбонским влакнима; (б) Ултра дугачке наножице на Ни-Си куглицама; (ц) наножице; (д) нанопризме; (е) нанобамбус; (ф) наноигле; (г) нанокости; (х) наноланци; (и) Наноцеви

Метода раствора за припрему СиЦ наножица. Метода раствора се користи за припрему СиЦ наножица, што смањује температуру реакције. Метода може укључивати кристализацију прекурсора фазе раствора кроз спонтану хемијску редукцију или друге реакције на релативно благој температури. Као представници методе раствора, солвотермална синтеза и хидротермална синтеза се обично користе за добијање СиЦ наножица на ниским температурама.

Дводимензионални наноматеријали се могу припремити солвотермалним методама, импулсним ласерима, топлотном редукцијом угљеника, механичким пилингом и побољшаном микроталасном плазмомЦВД. Хо ет ал. реализовао 3Д СиЦ наноструктуру у облику цвета од наножице, као што је приказано на слици 4. СЕМ слика показује да структура налик цвету има пречник од 1-2 μм и дужину од 3-5 μм.

Слика 4 СЕМ слика тродимензионалног цвета СиЦ нано жице

Перформансе СиЦ наноматеријала

СиЦ наноматеријали су напредни керамички материјал са одличним перформансама, који има добра физичка, хемијска, електрична и друга својства.

✔ Физичка својства

Висока тврдоћа: Микротврдоћа нано-силицијум карбида је између корунда и дијаманта, а његова механичка чврстоћа је већа од корунда. Има високу отпорност на хабање и добро самоподмазивање.

Висока топлотна проводљивост: Нано-силицијум карбид има одличну топлотну проводљивост и одличан је топлотно проводљив материјал.

Низак коефицијент термичке експанзије: Ово омогућава нано-силицијум карбиду да одржи стабилну величину и облик у условима високе температуре.

Висока специфична површина: Једна од карактеристика наноматеријала, погодује побољшању његове површинске активности и перформанси реакције.

✔ Хемијска својства

Хемијска стабилност: Нано-силицијум карбид има стабилне хемијске особине и може задржати своје перформансе непромењене у различитим окружењима.

Антиоксидација: Може да се одупре оксидацији на високим температурама и показује одличну отпорност на високе температуре.

✔Електрична својства

Високи појас: Велики појас чини га идеалним материјалом за израду електронских уређаја високе фреквенције, велике снаге и ниске енергије.

Висока покретљивост засићења електрона: погодује брзом преносу електрона.

✔Остале карактеристике

Јака отпорност на зрачење: Може одржати стабилне перформансе у окружењу зрачења.

Добра механичка својства: Има одличне механичке особине као што је висок модул еластичности.

Примена СиЦ наноматеријала

Електроника и полупроводнички уређаји: Због својих одличних електронских својстава и стабилности при високим температурама, нано-силицијум карбид се широко користи у електронским компонентама велике снаге, високофреквентним уређајима, оптоелектронским компонентама и другим пољима. Истовремено, то је и један од идеалних материјала за производњу полупроводничких уређаја.

Оптичке апликације: Нано-силицијум карбид има широк појас и одлична оптичка својства и може се користити за производњу ласера ​​високих перформанси, ЛЕД диода, фотонапонских уређаја итд.

Механички делови: Користећи своју високу тврдоћу и отпорност на хабање, нано-силицијум карбид има широк спектар примена у производњи механичких делова, као што су алати за сечење велике брзине, лежајеви, механички заптивачи, итд., што може значајно побољшати хабање отпорност и век трајања делова.

Нанокомпозитни материјали: Нано-силицијум карбид се може комбиновати са другим материјалима да би се формирали нанокомпозити ради побољшања механичких својстава, топлотне проводљивости и отпорности материјала на корозију. Овај нанокомпозитни материјал се широко користи у ваздухопловству, аутомобилској индустрији, енергетском пољу итд.

Високотемпературни конструкцијски материјали: Наносилицијум карбидаима одличну стабилност на високим температурама и отпорност на корозију и може се користити у екстремно високим температурама. Због тога се користи као високотемпературни структурни материјал у ваздухопловству, петрохемији, металургији и другим областима, као што је производњависокотемпературне пећи, цеви за пећ, облоге пећи итд.

Друге апликације: Нано силицијум карбид се такође користи у складиштењу водоника, фотокатализи и сенсингу, показујући широке изгледе за примену.