Наноматеріали карбіду кремнію

Наноматеріали карбіду кремнію

Наноматеріали карбіду кремнію (наноматеріали SiC) відносяться до матеріалів, що складаються зкарбід кремнію (SiC)принаймні з одним виміром у нанометровому масштабі (зазвичай визначається як 1-100 нм) у тривимірному просторі. Наноматеріали карбіду кремнію можна класифікувати на нульвимірні, одновимірні, двовимірні та тривимірні структури відповідно до їх структури.

Нульвимірні наноструктурице структури, усі розміри яких знаходяться в нанометровому масштабі, в основному включають тверді нанокристали, порожнисті наносфери, порожнисті наноклітки та наносфери ядро-оболонка.

Одновимірні наноструктуривідносяться до структур, у яких два виміри обмежені нанометровим масштабом у тривимірному просторі. Ця структура має багато форм, включаючи нанодроти (суцільний центр), нанотрубки (порожнистий центр), нанопояси або нанопояси (вузький прямокутний переріз) і нанопризми (призмоподібний переріз). Ця структура стала центром інтенсивних досліджень завдяки її унікальним застосуванням у мезоскопічній фізиці та виробництві нанорозмірних пристроїв. Наприклад, носії в одновимірних наноструктурах можуть поширюватися лише в одному напрямку структури (тобто, у поздовжньому напрямку нанодроту або нанотрубки) і можуть використовуватися як сполучні та ключові пристрої в наноелектроніці.

Двовимірні наноструктури, які мають лише один вимір на наномасштабі, зазвичай перпендикулярному площині їхнього шару, наприклад нанолисти, нанолисти, нанолисти та наносфери, нещодавно привернули особливу увагу не лише для базового розуміння механізму їх росту, але й для вивчення їх потенціалу застосування у випромінювачах світла, датчиках, сонячних елементах тощо.

Тривимірні наноструктуризазвичай називаються складними наноструктурами, які утворені набором однієї або кількох базових структурних одиниць у нульвимірному, одновимірному та двовимірному (таких як нанодроти або нанострижні, з’єднані монокристалічними з’єднаннями), а також їхні загальні геометричні розміри знаходяться в нанометровій або мікрометровій шкалі. Такі складні наноструктури з великою площею поверхні на одиницю об’єму забезпечують багато переваг, таких як довгі оптичні шляхи для ефективного поглинання світла, швидке міжфазне перенесення заряду та регульовані можливості транспортування заряду. Ці переваги дозволяють тривимірним наноструктурам вдосконалювати дизайн у майбутніх програмах перетворення та зберігання енергії. Від 0D до 3D структур досліджено широкий спектр наноматеріалів, які поступово впроваджуються в промисловість і повсякденне життя.

Методи синтезу наноматеріалів SiC

Нульвимірні матеріали можна синтезувати методом гарячого розплаву, методом електрохімічного травлення, методом лазерного піролізу тощо для отриманняSiC твердийнанокристали розміром від кількох нанометрів до десятків нанометрів, але зазвичай мають псевдосферичну форму, як показано на малюнку 1.

Рисунок 1 ПЕМ зображення нанокристалів β-SiC, отриманих різними методами

(a) Сольвотермічний синтез [34]; (B) Метод електрохімічного травлення [35]; (c) Термічна обробка[48]; (d) Лазерний піроліз[49]

Дасог та ін. синтезували сферичні нанокристали β-SiC з контрольованим розміром і чіткою структурою за допомогою твердофазної реакції подвійного розкладання між порошками SiO2, Mg і C [55], як показано на малюнку 2.

Рисунок 2 FESEM зображення сферичних нанокристалів SiC з різними діаметрами [55]

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

Парофазний метод вирощування нанодротів SiC. Газофазний синтез є найбільш зрілим методом формування нанодротів SiC. У типовому процесі пароподібні речовини, які використовуються як реагенти для формування кінцевого продукту, утворюються шляхом випаровування, хімічного відновлення та газоподібної реакції (що потребує високої температури). Хоча висока температура збільшує споживання додаткової енергії, нанодроти SiC, вирощені цим методом, зазвичай мають високу цілісність кристалів, прозорі нанодроти/нанострижні, нанопризми, наноголки, нанотрубки, наноремені, нанокабелі тощо, як показано на малюнку 3.

Рисунок 3. Типова морфологія одновимірних наноструктур SiC 

(a) масиви нанодротів на вуглецевих волокнах; (б) Наддовгі нанодроти на Ni-Si кульках; (c) Нанодроти; (d) Нанопризми; (e) Нанобамбук; (f) Наноголки; (g) нанокістки; (h) Наноланцюги; (i) Нанотрубки

Метод розчину для отримання нанодротів SiC. Для отримання нанодротів SiC використовується метод розчину, що знижує температуру реакції. Спосіб може включати кристалізацію попередника фази розчину шляхом спонтанного хімічного відновлення або інших реакцій при відносно помірній температурі. Як представники методу розчину, сольвотермальний синтез і гідротермальний синтез зазвичай використовуються для отримання нанодротів SiC при низьких температурах.

Двовимірні наноматеріали можна отримати за допомогою сольвотермічних методів, імпульсних лазерів, термічного відновлення вуглецем, механічного відшарування та мікрохвильової плазми.ССЗ. Ho та ін. реалізував тривимірну наноструктуру SiC у формі квітки з нанодроту, як показано на малюнку 4. Зображення SEM показує, що квіткоподібна структура має діаметр 1-2 мкм і довжину 3-5 мкм.

Рисунок 4 СЕМ-зображення тривимірної квітки нанодроту SiC

Характеристики наноматеріалів SiC

Наноматеріали SiC – це вдосконалений керамічний матеріал із відмінними характеристиками, який має хороші фізичні, хімічні, електричні та інші властивості.

✔ Фізичні властивості

Висока твердість: Мікротвердість нанокарбіду кремнію знаходиться між корундом і алмазом, а його механічна міцність вища, ніж у корунду. Має високу зносостійкість і добре самозмащування.

Висока теплопровідність: нанокарбід кремнію має чудову теплопровідність і є чудовим теплопровідним матеріалом.

Низький коефіцієнт теплового розширення: це дозволяє нанокарбіду кремнію зберігати стабільний розмір і форму в умовах високої температури.

Висока питома площа поверхні: одна з характеристик наноматеріалів, це сприяє покращенню їх поверхневої активності та ефективності реакції.

✔ Хімічні властивості

Хімічна стабільність: нанокарбід кремнію має стабільні хімічні властивості та може зберігати свої характеристики незмінними в різних середовищах.

Антиокислювач: він може протистояти окисленню при високих температурах і демонструє чудову стійкість до високих температур.

✔Електричні властивості

Висока ширина забороненої зони: висока ширина забороненої зони робить його ідеальним матеріалом для виготовлення високочастотних, потужних та низькоенергетичних електронних пристроїв.

Висока мобільність насичення електронами: це сприяє швидкій передачі електронів.

✔Інші характеристики

Сильна радіаційна стійкість: він може підтримувати стабільну роботу в радіаційному середовищі.

Хороші механічні властивості: має відмінні механічні властивості, такі як високий модуль пружності.

Застосування наноматеріалів SiC

Електроніка та напівпровідникові прилади: Завдяки своїм чудовим електронним властивостям і високотемпературній стабільності нанокарбід кремнію широко використовується у потужних електронних компонентах, високочастотних пристроях, оптоелектронних компонентах та інших галузях. У той же час це також один з ідеальних матеріалів для виготовлення напівпровідникових приладів.

Оптичні програми: Нанокарбід кремнію має широку заборонену зону та відмінні оптичні властивості, його можна використовувати для виготовлення високоефективних лазерів, світлодіодів, фотоелектричних пристроїв тощо.

Механічні частини: Завдяки своїй високій твердості та зносостійкості нанокарбід кремнію має широкий спектр застосувань у виробництві механічних деталей, таких як високошвидкісні ріжучі інструменти, підшипники, механічні ущільнення тощо, що може значно покращити знос стійкість і термін служби деталей.

Нанокомпозитні матеріали: Нанокарбід кремнію можна комбінувати з іншими матеріалами для утворення нанокомпозитів для покращення механічних властивостей, теплопровідності та стійкості до корозії матеріалу. Цей нанокомпозитний матеріал широко використовується в аерокосмічній, автомобільній промисловості, енергетиці тощо.

Високотемпературні конструкційні матеріали: Нанокарбід кремніюмає відмінну високотемпературну стабільність і стійкість до корозії, і може використовуватися в екстремально високих температурах. Тому він використовується як високотемпературний конструкційний матеріал в аерокосмічній, нафтохімічній, металургійній та інших галузях, таких як виробництвовисокотемпературні печі, пічні труби, футеровки печей та ін.

Інші програми: Нанокарбід кремнію також використовується для зберігання водню, фотокаталізу та зондування, демонструючи широкі перспективи застосування.