Νανοϋλικά καρβιδίου πυριτίου

Νανοϋλικά καρβιδίου πυριτίου

Τα νανοϋλικά καρβιδίου πυριτίου (sic nanomaterials) αναφέρονται σε υλικά που αποτελούνται απόκαρβίδιο πυριτίου (sic)με τουλάχιστον μία διάσταση στην κλίμακα νανομέτρου (συνήθως ορίζεται ως 1-100nm) σε τρισδιάστατο χώρο. Τα νανοϋλικά καρβιδίου πυριτίου μπορούν να ταξινομηθούν σε μηδενικές, μονοδιάστατες, δισδιάστατες και τρισδιάστατες δομές ανάλογα με τη δομή τους.

Μηδενικές νανοδομέςείναι δομές των οποίων όλες οι διαστάσεις βρίσκονται στην κλίμακα νανομέτρου, που περιλαμβάνουν κυρίως στερεά νανοσκεπίσματα, κοίλα νανοσφαιρίδια, κοίλες νανοσωματίες και νανοσφαιρίδια πυρήνα-κελύφους.

Μονοδιάστατες νανοδομέςΑνατρέξτε σε δομές στις οποίες δύο διαστάσεις περιορίζονται στην κλίμακα νανομέτρου σε τρισδιάστατο χώρο. Αυτή η δομή έχει πολλές μορφές, συμπεριλαμβανομένων των νανοσωματιδίων (συμπαγές κέντρο), νανοσωλήνες (κοίλο κέντρο), νανοσωλήνες ή νανοσωλήνες (στενή ορθογώνια διατομή) και νανολοπρισμούς (διατομή σε σχήμα πρίσματος). Αυτή η δομή έχει γίνει το επίκεντρο της εντατικής έρευνας λόγω των μοναδικών εφαρμογών της στη Μεσοσκοπική Φυσική και τη Νανοκάλυμα Για παράδειγμα, οι μεταφορείς σε μονοδιάστατες νανοδομές μπορούν να διαδοθούν μόνο προς μία κατεύθυνση της δομής (δηλ. Η διαμήκη κατεύθυνση του νανοσωματιδίου ή νανοσωλήνων) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διασυνδέσεις και βασικές συσκευές στα νανοηλεκτρονικά.

Δισδιάστατες νανοδομές, που έχουν μόνο μία διάσταση στη νανοκλίμακα, συνήθως κάθετη στο επίπεδο στρώσης τους, όπως νανοσωλήνες, νανοσωλήνες, νανοσωλήνες και νανοσφαιρίδια, έχουν λάβει ιδιαίτερη προσοχή πρόσφατα, όχι μόνο για τη βασική κατανόηση του μηχανισμού ανάπτυξης τους, αλλά και για την εξερεύνηση των πιθανών εφαρμογών τους σε ελαφριές εκπομπές, αισθητήρες, ηλιακά κύτταρα κλπ.

Νανοδομές τρισδιάστατωνσυνήθως ονομάζονται σύνθετες νανοδομές, οι οποίες σχηματίζονται από μια συλλογή από μία ή περισσότερες βασικές δομικές μονάδες σε μηδενικές, μονοδιάστατες και δισδιάστατες (όπως νανοσωματιδίων ή νανοσωματίδια που συνδέονται με κλίμακα με μονό κρυστάλλι Τέτοιες σύνθετες νανοδομές με υψηλή επιφάνεια ανά όγκο μονάδας παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως μακρές οπτικές διαδρομές για αποτελεσματική απορρόφηση φωτός, γρήγορη μεταφορά φορτίου και ρυθμιζόμενες δυνατότητες μεταφοράς φορτίου. Αυτά τα πλεονεκτήματα επιτρέπουν στις τρισδιάστατες νανοδομές να προωθούν το σχεδιασμό σε μελλοντικές εφαρμογές μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Από τις δομές 0D έως 3D, έχει μελετηθεί και σταδιακά εισάγεται μια μεγάλη ποικιλία νανοϋλικών και σταδιακά στη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή.

Μέθοδοι σύνθεσης νανοϋλικών SIC

Τα μηδενικά υλικά μπορούν να συντεθούν με μέθοδο ζεστού τήγμαSic Solidνανοκρυστάλλοι που κυμαίνονται από μερικά νανόμετρα έως δεκάδες νανομέτες, αλλά είναι συνήθως ψευδο-σφαίρα, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.

Εικόνα 1 Εικόνες TEM των β-SIC νανοκρυστάλλων που παρασκευάζονται με διαφορετικές μεθόδους

(α) solvothermal σύνθεση [34]. (Β) μέθοδος ηλεκτροχημικής χάραξης [35]. (γ) θερμική επεξεργασία [48]. (δ) Πυρόλυση λέιζερ [49]

Dasog et αϊ. Συντονισμένα σφαιρικά β-SIC νανοκρύσταλα με ελεγχόμενο μέγεθος και καθαρή δομή με αντίδραση διπλής αποσύνθεσης στερεάς κατάστασης μεταξύ σκονών SiO2, Mg και C [55], όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

Εικόνα 2 Εικόνες FESEM σφαιρικών νανοκρυστάλλων SIC με διαφορετικές διαμέτρους [55]

(α) 51,3 ± 5,5 nm. (Β) 92,8 ± 6,6 nm. (γ) 278,3 ± 8,2 nm

Μέθοδος φάσης ατμών για την καλλιέργεια νανοσωματιδίων SIC. Η σύνθεση αερίου φάσης είναι η πιο ώριμη μέθοδος για τη δημιουργία νανοσωματιδίων SIC. Σε μια τυπική διαδικασία, οι ουσίες ατμών που χρησιμοποιούνται ως αντιδραστήρια για να σχηματίσουν το τελικό προϊόν παράγονται με εξάτμιση, χημική αναγωγή και αέρια αντίδραση (απαιτεί υψηλή θερμοκρασία). Παρόλο που η υψηλή θερμοκρασία αυξάνει την πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας, τα νανοσωματιδίων SIC που καλλιεργούνται με αυτή τη μέθοδο έχουν συνήθως υψηλή ακεραιότητα κρυστάλλων, καθαρά νανοσωλήνες/νανοσωλήνες, νανοπρισίες, νανοσωματίδια, νανοσωλήνες, νανοσωλήνες, νανοκύλη κ.λπ.

Σχήμα 3 Τυπικές μορφολογίες μονοδιάστατων νανοδομών SIC 

(α) συστοιχίες nanowire σε ίνες άνθρακα. (β) νανοσωλήνες Ultralong σε μπάλες Ni-Si. (γ) Nanowires. δ) νανοπρισίες · Ε) nanobamboo. (στ) νανόνη. (ζ) νανοβόνες. (Η) νανογάνες. (i) νανοσωλήνες

Μέθοδος λύσης για την προετοιμασία των νανοσωματιδίων SIC. Η μέθοδος διαλύματος χρησιμοποιείται για την παρασκευή νανοσωματιδίων SIC, η οποία μειώνει τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Η μέθοδος μπορεί να περιλαμβάνει την κρυσταλλοποίηση ενός προδρόμου φάσης διαλύματος μέσω αυθόρμητης χημικής αναγωγής ή άλλων αντιδράσεων σε σχετικά ήπια θερμοκρασία. Ως εκπρόσωποι της μεθόδου διαλύματος, η ολβοθερμική σύνθεση και η υδροθερμική σύνθεση χρησιμοποιήθηκαν συνήθως για την απόκτηση νανοσωματιδίων SIC σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Τα δισδιάστατα νανοϋλικά μπορούν να παρασκευαστούν με μεθόδους σλοθερμικής, παλμικά λέιζερ, θερμική μείωση του άνθρακα, μηχανική απολέπιση και ενισχυμένο στο πλάσμα μικροκυμάτωνCVD. Ho et αϊ. συνειδητοποίησε μια 3D SIC νανοδομή με τη μορφή ενός λουλουδιού nanowire, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Η εικόνα SEM δείχνει ότι η δομή που μοιάζει με λουλούδια έχει διάμετρο 1-2 μm και μήκος 3-5 μm.

Εικόνα 4 Εικόνα SEM ενός τρισδιάστατου λουλουδιού Nanowire Sic

Εκτέλεση των νανοϋλικών SIC

Τα νανοϋλικά SIC είναι ένα προηγμένο κεραμικό υλικό με εξαιρετική απόδοση, η οποία έχει καλές φυσικές, χημικές, ηλεκτρικές και άλλες ιδιότητες.

✔ Φυσικές ιδιότητες

Υψηλή σκληρότητα: Η μικροδιακόπτη του καρβιδίου νανο-σιλικόν είναι μεταξύ Corundum και Diamond και η μηχανική του αντοχή είναι υψηλότερη από αυτή του Corundum. Έχει υψηλή αντίσταση φθοράς και καλή αυτο-παραμέτρων.

Υψηλή θερμική αγωγιμότητα: Το καρβίδιο νανο-σιλικόν έχει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και είναι ένα εξαιρετικό θερμικό αγώγιμο υλικό.

Χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής: Αυτό επιτρέπει στο νανο-σιλικόν καρβίδιο να διατηρεί σταθερό μέγεθος και σχήμα υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας.

Υψηλή ειδική επιφάνεια: Ένα από τα χαρακτηριστικά των νανοϋλικών, είναι ευνοϊκό για τη βελτίωση της επιφανειακής δραστηριότητας και της απόδοσης της αντίδρασης.

✔ Χημικές ιδιότητες

Χημική σταθερότητα: Το νανο-σιλικόν καρβίδιο έχει σταθερές χημικές ιδιότητες και μπορεί να διατηρήσει την απόδοσή του αμετάβλητη υπό διάφορα περιβάλλοντα.

Αντιοξείδωση: Μπορεί να αντισταθεί στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες και να παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία.

✔Ηλεκτρικές ιδιότητες

High Bandgap: Το υψηλό Bandgap το καθιστά ιδανικό υλικό για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος και χαμηλής ενέργειας.

Υψηλή κινητικότητα κορεσμού ηλεκτρονίων: Είναι ευνοϊκό για την ταχεία μετάδοση των ηλεκτρονίων.

✔Άλλα χαρακτηριστικά

Ισχυρή αντίσταση ακτινοβολίας: Μπορεί να διατηρήσει σταθερή απόδοση σε περιβάλλον ακτινοβολίας.

Καλές μηχανικές ιδιότητες: Έχει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες όπως υψηλό ελαστικό μέτρο.

Εφαρμογή νανοϋλικών SIC

Ηλεκτρονικά και συσκευές ημιαγωγών: Λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του και της σταθερότητας υψηλής θερμοκρασίας, το καρβίδιο νανο-σιλικόν χρησιμοποιείται ευρέως σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα υψηλής ισχύος, συσκευές υψηλής συχνότητας, οπτοηλεκτρονικά εξαρτήματα και άλλα πεδία. Ταυτόχρονα, είναι επίσης ένα από τα ιδανικά υλικά για την κατασκευή συσκευών ημιαγωγών.

Οπτικές εφαρμογές: Το καρβίδιο νανο-σιλικόν διαθέτει ευρεία ζώνη και εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή λέιζερ υψηλής απόδοσης, LED, φωτοβολταϊκές συσκευές κ.λπ.

Μηχανικά μέρη: Αξιοποιώντας την υψηλή σκληρότητα και την αντίσταση της φθοράς, το νανο-σιλικόν καρβίδιο έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην κατασκευή μηχανικών τμημάτων, όπως εργαλεία κοπής υψηλής ταχύτητας, ρουλεμάν, μηχανικές σφραγίδες κλπ.

Νανοσύνθετα υλικά: Το καρβίδιο νανο-σιλικόν μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά για να σχηματίσουν νανοσύνθετα για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων, της θερμικής αγωγιμότητας και της αντοχής στη διάβρωση του υλικού. Αυτό το νανοσύνθετο υλικό χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροδιαστημική, στην αυτοκινητοβιομηχανία, στον ενεργειακό τομέα κ.λπ.

Δομικά υλικά υψηλής θερμοκρασίας: Nanoκαρβίδιο πυριτίουέχει εξαιρετική σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας και αντοχή στη διάβρωση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ακραία περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ως δομικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας στην αεροδιαστημική, πετροχημική, μεταλλουργία και άλλα πεδία, όπως η κατασκευήΦούρνοι υψηλής θερμοκρασίας, σωλήνες κλιβάνου, επενδύσεις φούρνου, κ.λπ.

Άλλες εφαρμογές: Το καρβίδιο του νανο πυριτίου χρησιμοποιείται επίσης στην αποθήκευση υδρογόνου, στη φωτοκατάλυση και την ανίχνευση, παρουσιάζοντας ευρείες προοπτικές εφαρμογής.