Silicio karbido nanomedžiagos

Silicio karbido nanomedžiagos

Silicio karbido nanomedžiagos (SiC nanomedžiagos) reiškia medžiagas, sudarytas išsilicio karbidas (SiC)turintis bent vieną matmenį nanometrų skalėje (paprastai apibrėžiamas kaip 1–100 nm) trimatėje erdvėje. Silicio karbido nanomedžiagos pagal jų struktūrą gali būti skirstomos į nulines, vienmates, dvimates ir trimates struktūras.

Nulinės dimensijos nanostruktūrosyra struktūros, kurių visi matmenys yra nanometrų skalėje, daugiausia įskaitant kietus nanokristalus, tuščiavidures nanosferas, tuščiavidurius nanonarelius ir šerdies apvalkalo nanosferas.

Vienmatės nanostruktūrosreiškia struktūras, kuriose du matmenys apsiriboja nanometrų skale trimatėje erdvėje. Ši struktūra turi daugybę formų, įskaitant nanolaidelius (tvirtas centras), nanovamzdelius (tuščiaviduris centras), nanodiržas arba nanodiržas (siauras stačiakampis skerspjūvis) ir nanoprizmes (prizmės formos skerspjūvis). Ši struktūra tapo intensyvių tyrimų centru dėl unikalių pritaikymų mezoskopinėje fizikoje ir nanoskalės prietaisų gamyboje. Pavyzdžiui, vienmatės nanostruktūros nešikliai gali sklisti tik viena konstrukcijos kryptimi (t. y. išilgine nanolaidelio arba nanovamzdelio kryptimi) ir gali būti naudojami kaip jungtys ir pagrindiniai nanoelektronikos prietaisai.

Dvimatės nanostruktūros, kurios nanoskalėje turi tik vieną matmenį, paprastai statmeną jų sluoksnio plokštumai, pvz., nanosklotai, nanosklotai, nanosklodai ir nanosferos, pastaruoju metu sulaukė ypatingo dėmesio ne tik dėl pagrindinio jų augimo mechanizmo supratimo, bet ir siekiant ištirti jų potencialą. pritaikymas šviesos skleidėjams, jutikliams, saulės elementams ir kt.

Trimatės nanostruktūrospaprastai vadinamos sudėtingomis nanostruktūromis, kurias sudaro vieno ar kelių pagrindinių nulinių, vienmačių ir dvimačių struktūrinių vienetų rinkinys (pavyzdžiui, nanolaideliai arba nanostypeliai, sujungti monokristalinėmis jungtimis), ir jų bendrieji geometriniai matmenys. yra nanometro arba mikrometro skalėje. Tokios sudėtingos nanostruktūros, turinčios didelį paviršiaus plotą tūrio vienetui, suteikia daug privalumų, pavyzdžiui, ilgus optinius kelius efektyviai sugerti šviesą, greitą sąsajos krūvio perdavimą ir derinamas įkrovos transportavimo galimybes. Šie pranašumai leidžia trimatėms nanostruktūroms tobulinti projektavimą būsimose energijos konvertavimo ir saugojimo programose. Nuo 0D iki 3D struktūrų buvo ištirta daug įvairių nanomedžiagų, kurios palaipsniui įtrauktos į pramonę ir kasdienį gyvenimą.

SiC nanomedžiagų sintezės metodai

Nulinės dimensijos medžiagos gali būti susintetintos karšto lydalo metodu, elektrocheminiu ėsdinimo metodu, lazerinės pirolizės metodu ir kt.SiC kietasnanokristalai svyruoja nuo kelių nanometrų iki dešimčių nanometrų, tačiau dažniausiai yra pseudo sferiniai, kaip parodyta 1 paveiksle.

1 pav. Skirtingais metodais paruoštų β-SiC nanokristalų TEM vaizdai

a) Solvoterminė sintezė[34]; B) elektrocheminis ėsdinimo metodas[35]; c) terminis apdorojimas[48]; d) lazerinė pirolizė[49]

Dasog ir kt. susintetinti sferiniai β-SiC nanokristalai su kontroliuojamu dydžiu ir aiškia struktūra kietojo kūno dvigubo skilimo reakcija tarp SiO2, Mg ir C miltelių [55], kaip parodyta 2 paveiksle.

2 pav. FESEM skirtingų skersmenų sferinių SiC nanokristalų vaizdai[55]

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

Garų fazės metodas SiC nanolaideliams auginti. Dujų fazės sintezė yra pats brandžiausias SiC nanolaidelių formavimo būdas. Įprastame procese garų medžiagos, naudojamos kaip reagentai galutiniam produktui sudaryti, susidaro išgarinant, chemiškai redukuojant ir dujinės reakcijos būdu (reikalaujanti aukštos temperatūros). Nors aukšta temperatūra padidina papildomas energijos sąnaudas, šiuo metodu auginami SiC nanolaideliai dažniausiai pasižymi dideliu kristalų vientisumu, skaidriais nanolaideliais/nanorodeliais, nanoprizmėmis, nanoadatomis, nanovamzdeliais, nanodiržais, nanokabeliais ir kt., kaip parodyta 3 paveiksle.

3 pav. Tipinės vienmačių SiC nanostruktūrų morfologijos 

a) nanolaidų matricos ant anglies pluošto; b) itin ilgi nanolaideliai ant Ni-Si rutuliukų; c) nanolaidai; d) nanoprizmės; e) nanobambukas; f) nanoadatos; g) nanokaulai; h) nanograndinės; i) nanovamzdeliai

SiC nanolaidelių paruošimo tirpalo metodas. SiC nanolaideliams ruošti naudojamas tirpalo metodas, kuris sumažina reakcijos temperatūrą. Metodas gali apimti tirpalo fazės pirmtako kristalizavimą per spontanišką cheminę redukciją arba kitas reakcijas santykinai švelnioje temperatūroje. Kaip tirpalo metodo atstovai, solvoterminė sintezė ir hidroterminė sintezė dažniausiai buvo naudojamos SiC nanolaideliams gauti žemoje temperatūroje.

Dvimatės nanomedžiagos gali būti paruoštos solvoterminiais metodais, impulsiniais lazeriais, anglies terminiu redukcija, mechaniniu šveitimu ir mikrobangų plazma sustiprinta.CVD. Ho ir kt. realizavo 3D SiC nanostruktūrą nanolaidelio gėlės pavidalu, kaip parodyta 4 paveiksle. SEM vaizdas rodo, kad į gėlę panašios struktūros skersmuo yra 1–2 μm, o ilgis – 3–5 μm.

4 pav. SEM trimatės SiC nanolaidinės gėlės vaizdas

SiC nanomedžiagų veikimas

SiC nanomedžiagos yra pažangi keraminė medžiaga, pasižyminti puikiomis eksploatacinėmis savybėmis, turinti geras fizines, chemines, elektrines ir kitas savybes.

✔ Fizinės savybės

Didelis kietumas: nano-silicio karbido mikrokietumas yra tarp korundo ir deimanto, o jo mechaninis stiprumas yra didesnis nei korundo. Jis turi didelį atsparumą dilimui ir gerą savaiminį sutepimą.

Didelis šilumos laidumas: Nanosilicio karbidas turi puikų šilumos laidumą ir yra puiki šilumai laidži medžiaga.

Mažas šiluminio plėtimosi koeficientas: tai leidžia nano-silicio karbidui išlaikyti stabilų dydį ir formą esant aukštai temperatūrai.

Didelis specifinis paviršiaus plotas: viena iš nanomedžiagų savybių, ji padeda pagerinti jų paviršiaus aktyvumą ir reakcijos efektyvumą.

✔ Cheminės savybės

Cheminis stabilumas: Nanosilicio karbidas pasižymi stabiliomis cheminėmis savybėmis ir gali išlikti nepakitęs įvairiose aplinkose.

Antioksidacija: gali atsispirti oksidacijai aukštoje temperatūroje ir pasižymi puikiu atsparumu aukštai temperatūrai.

✔Elektrinės savybės

Didelis pralaidumas: Dėl didelio pralaidumo jis yra ideali medžiaga gaminant aukšto dažnio, didelės galios ir mažai energijos naudojančius elektroninius prietaisus.

Didelis elektronų prisotinimo mobilumas: jis skatina greitą elektronų perdavimą.

✔Kitos charakteristikos

Stiprus atsparumas spinduliuotei: jis gali išlaikyti stabilų veikimą radiacinėje aplinkoje.

Geros mechaninės savybės: pasižymi puikiomis mechaninėmis savybėmis, tokiomis kaip didelis elastingumo modulis.

SiC nanomedžiagų taikymas

Elektronika ir puslaidininkiniai prietaisai: Dėl puikių elektroninių savybių ir stabilumo aukštoje temperatūroje nano-silicio karbidas plačiai naudojamas didelės galios elektroniniuose komponentuose, aukšto dažnio įrenginiuose, optoelektroniniuose komponentuose ir kitose srityse. Kartu tai yra viena iš idealių medžiagų puslaidininkiniams įtaisams gaminti.

Optinės programos: Nanosilicio karbidas pasižymi plačiu pralaidumu ir puikiomis optinėmis savybėmis, todėl gali būti naudojamas gaminant didelio našumo lazerius, šviesos diodus, fotovoltinius įrenginius ir kt.

Mechaninės dalys: Dėl didelio kietumo ir atsparumo dilimui nano-silicio karbidas yra plačiai naudojamas mechaninių dalių, tokių kaip greitaeigiai pjovimo įrankiai, guoliai, mechaniniai sandarikliai ir kt., gamyboje, o tai gali labai pagerinti nusidėvėjimą. dalių atsparumas ir tarnavimo laikas.

Nanokompozitinės medžiagos: Nanosilicio karbidas gali būti derinamas su kitomis medžiagomis, kad susidarytų nanokompozitai, pagerinantys medžiagos mechanines savybes, šilumos laidumą ir atsparumą korozijai. Ši nanokompozitinė medžiaga plačiai naudojama aviacijos ir kosmoso pramonėje, automobilių pramonėje, energetikos srityje ir kt.

Aukštos temperatūros konstrukcinės medžiagos: Nanosilicio karbidaspasižymi puikiu stabilumu aukštoje temperatūroje ir atsparumu korozijai, todėl gali būti naudojamas itin aukštos temperatūros aplinkoje. Todėl jis naudojamas kaip aukštos temperatūros konstrukcinė medžiaga aviacijos, naftos chemijos, metalurgijos ir kitose srityse, pavyzdžiui, gamyboje.aukštos temperatūros krosnys, krosnių vamzdžiai, krosnių pamušalai ir kt.

Kitos programos: Nanosilicio karbidas taip pat naudojamas vandenilio saugojimui, fotokatalizei ir jutimui, o tai rodo plačias taikymo perspektyvas.