Mga nanomaterial ng silicone carbide

Mga nanomaterial ng silicone carbide

Ang Silicon carbide nanomaterials (SiC nanomaterials) ay tumutukoy sa mga materyales na binubuo ngsilikon karbida (SiC)na may hindi bababa sa isang dimensyon sa sukat ng nanometer (karaniwang tinukoy bilang 1-100nm) sa tatlong-dimensional na espasyo. Ang mga nanomaterial ng Silicon carbide ay maaaring uriin sa zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional at three-dimensional na istruktura ayon sa kanilang istraktura.

Zero-dimensional na mga nanostructureay mga istruktura na ang lahat ng dimensyon ay nasa sukat na nanometer, pangunahin na kabilang ang mga solidong nanocrystal, hollow nanosphere, hollow nanocages at core-shell nanosphere.

Mga one-dimensional na nanostructuresumangguni sa mga istruktura kung saan ang dalawang dimensyon ay nakakulong sa sukat ng nanometer sa tatlong-dimensional na espasyo. Ang istrukturang ito ay may maraming anyo, kabilang ang mga nanowires (solid center), nanotubes (hollow center), nanobelts o nanobelts (makitid na rectangular cross-section) at nanoprisms (prism-shaped cross-section). Ang istrukturang ito ay naging pokus ng masinsinang pananaliksik dahil sa mga natatanging aplikasyon nito sa mesoscopic physics at nanoscale device manufacturing. Halimbawa, ang mga carrier sa isang-dimensional na nanostructure ay maaari lamang magpalaganap sa isang direksyon ng istraktura (ibig sabihin, ang longitudinal na direksyon ng nanowire o nanotube), at maaaring magamit bilang mga interconnect at pangunahing aparato sa nanoelectronics.

Dalawang-dimensional na nanostructure, na may isang dimensyon lamang sa nanoscale, kadalasang patayo sa kanilang layer plane, tulad ng mga nanosheet, nanosheets, nanosheets at nanospheres, ay nakatanggap ng espesyal na atensyon kamakailan, hindi lamang para sa pangunahing pag-unawa sa kanilang mekanismo ng paglago, ngunit para din sa paggalugad ng kanilang potensyal. mga application sa light emitter, sensor, solar cell, atbp.

Mga three-dimensional na nanostructureay karaniwang tinatawag na mga kumplikadong nanostructure, na nabuo sa pamamagitan ng isang koleksyon ng isa o higit pang mga pangunahing yunit ng istruktura sa zero-dimensional, one-dimensional, at two-dimensional (tulad ng mga nanowires o nanorods na konektado sa pamamagitan ng iisang crystal junctions), at ang kanilang pangkalahatang geometric na sukat. ay nasa sukat na nanometer o micrometer. Ang ganitong mga kumplikadong nanostructure na may mataas na lugar sa ibabaw sa bawat dami ng yunit ay nagbibigay ng maraming mga pakinabang, tulad ng mahabang optical path para sa mahusay na pagsipsip ng liwanag, mabilis na paglilipat ng singil sa interface, at mga tunable na kakayahan sa transportasyon ng singil. Ang mga bentahe na ito ay nagbibigay-daan sa tatlong-dimensional na nanostructure na isulong ang disenyo sa hinaharap na conversion ng enerhiya at mga aplikasyon ng imbakan. Mula sa 0D hanggang 3D na mga istruktura, maraming uri ng nanomaterial ang napag-aralan at unti-unting ipinakilala sa industriya at pang-araw-araw na buhay.

Mga pamamaraan ng synthesis ng mga SiC nanomaterial

Maaaring ma-synthesize ang mga zero-dimensional na materyales sa pamamagitan ng hot melt method, electrochemical etching method, laser pyrolysis method, atbp.SiC solidnanocrystals mula sa ilang nanometer hanggang sampu-sampung nanometer, ngunit kadalasan ay pseudo-spherical, tulad ng ipinapakita sa Figure 1.

Figure 1 TEM na mga imahe ng β-SiC nanocrystals na inihanda ng iba't ibang pamamaraan

(a) Solvothermal synthesis[34]; (B) Paraan ng electrochemical etching[35]; (c) Thermal processing[48]; (d) Laser pyrolysis[49]

Dasog et al. synthesized spherical β-SiC nanocrystals na may nakokontrol na laki at malinaw na istraktura sa pamamagitan ng solid-state double decomposition reaction sa pagitan ng SiO2, Mg at C na mga pulbos[55], tulad ng ipinapakita sa Figure 2.

Figure 2 FESEM na mga larawan ng spherical SiC nanocrystals na may iba't ibang diameter[55]

(a) 51.3 ± 5.5 nm; (B) 92.8 ± 6.6 nm; (c) 278.3 ± 8.2 nm

Paraan ng vapor phase para sa pagpapalaki ng mga SiC nanowires. Ang gas phase synthesis ay ang pinaka-mature na paraan para sa pagbuo ng SiC nanowires. Sa isang karaniwang proseso, ang mga sangkap ng singaw na ginagamit bilang mga reactant upang mabuo ang pangwakas na produkto ay nabuo sa pamamagitan ng pagsingaw, pagbabawas ng kemikal at gas na reaksyon (nangangailangan ng mataas na temperatura). Bagaman ang mataas na temperatura ay nagdaragdag ng karagdagang pagkonsumo ng enerhiya, ang mga SiC nanowires na lumago sa paraang ito ay karaniwang may mataas na kristal na integridad, malinaw na nanowires/nanorods, nanoprisms, nanoneedles, nanotubes, nanobelts, nanocables, atbp., tulad ng ipinapakita sa Figure 3.

Figure 3 Mga tipikal na morpolohiya ng isang-dimensional na SiC nanostructure 

(a) Nanowire arrays sa carbon fibers; (b) Ultralong nanowires sa mga bola ng Ni-Si; (c) Nanowires; (d) Nanoprisms; (e) Nanobamboo; (f) Nanoneedles; (g) Nanobones; (h) Nanochain; (i) Nanotube

Paraan ng solusyon para sa paghahanda ng mga SiC nanowires. Ang paraan ng solusyon ay ginagamit upang maghanda ng mga SiC nanowires, na binabawasan ang temperatura ng reaksyon. Maaaring kabilang sa pamamaraan ang pagkikristal ng isang phase precursor ng solusyon sa pamamagitan ng kusang pagbabawas ng kemikal o iba pang mga reaksyon sa medyo banayad na temperatura. Bilang mga kinatawan ng paraan ng solusyon, ang solvothermal synthesis at hydrothermal synthesis ay karaniwang ginagamit upang makakuha ng SiC nanowires sa mababang temperatura.

Ang mga two-dimensional na nanomaterial ay maaaring ihanda sa pamamagitan ng solvothermal method, pulsed lasers, carbon thermal reduction, mechanical exfoliation, at microwave plasma enhancedCVD. Ho et al. natanto ang isang 3D SiC nanostructure sa hugis ng isang nanowire na bulaklak, tulad ng ipinapakita sa Figure 4. Ang imahe ng SEM ay nagpapakita na ang istraktura na tulad ng bulaklak ay may diameter na 1-2 μm at isang haba ng 3-5 μm.

Figure 4 SEM na imahe ng isang three-dimensional na SiC nanowire na bulaklak

Pagganap ng mga SiC nanomaterial

Ang SiC nanomaterial ay isang advanced na ceramic na materyal na may mahusay na pagganap, na may mahusay na pisikal, kemikal, elektrikal at iba pang mga katangian.

✔ Mga katangiang pisikal

Mataas na tigas: Ang microhardness ng nano-silicon carbide ay nasa pagitan ng corundum at brilyante, at ang mekanikal na lakas nito ay mas mataas kaysa sa corundum. Ito ay may mataas na wear resistance at magandang self-lubrication.

Mataas na thermal conductivity: Ang nano-silicon carbide ay may mahusay na thermal conductivity at isang mahusay na thermal conductive material.

Mababang koepisyent ng pagpapalawak ng thermal: Nagbibigay-daan ito sa nano-silicon carbide na mapanatili ang isang matatag na laki at hugis sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na temperatura.

Mataas na tiyak na lugar sa ibabaw: Isa sa mga katangian ng mga nanomaterial, ito ay nakakatulong sa pagpapabuti ng aktibidad sa ibabaw nito at pagganap ng reaksyon.

✔ Mga katangian ng kemikal

Katatagan ng kemikal: Ang nano-silicon carbide ay may matatag na mga katangian ng kemikal at maaaring mapanatili ang pagganap nito nang hindi nagbabago sa ilalim ng iba't ibang mga kapaligiran.

Antioxidation: Maaari itong lumaban sa oksihenasyon sa mataas na temperatura at nagpapakita ng mahusay na pagtutol sa mataas na temperatura.

✔Mga katangiang elektrikal

High bandgap: Ang mataas na bandgap ay ginagawa itong perpektong materyal para sa paggawa ng high-frequency, high-power, at low-energy na mga electronic device.

Mataas na electron saturation mobility: Ito ay nakakatulong sa mabilis na pagpapadala ng mga electron.

✔Iba pang mga katangian

Malakas na paglaban sa radiation: Maaari itong mapanatili ang matatag na pagganap sa isang kapaligiran ng radiation.

Magandang mekanikal na katangian: Ito ay may mahusay na mekanikal na katangian tulad ng mataas na elastic modulus.

Application ng SiC nanomaterials

Mga elektronikong aparato at semiconductor: Dahil sa mahusay na mga katangian ng elektroniko at katatagan ng mataas na temperatura, ang nano-silicon carbide ay malawakang ginagamit sa mga high-power na elektronikong bahagi, mga aparatong may mataas na dalas, mga bahagi ng optoelectronic at iba pang larangan. Kasabay nito, isa rin ito sa mga mainam na materyales para sa paggawa ng mga aparatong semiconductor.

Mga optical na application: Ang nano-silicon carbide ay may malawak na bandgap at mahusay na optical properties, at maaaring gamitin sa paggawa ng mga high-performance laser, LED, photovoltaic device, atbp.

Mga bahaging mekanikal: Sinasamantala ang mataas na tigas at resistensya ng pagsusuot nito, ang nano-silicon carbide ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon sa paggawa ng mga mekanikal na bahagi, tulad ng mga high-speed cutting tool, bearings, mechanical seal, atbp., na maaaring lubos na mapabuti ang pagsusuot. paglaban at buhay ng serbisyo ng mga bahagi.

Mga materyales na nanocomposite: Ang nano-silicon carbide ay maaaring isama sa iba pang mga materyales upang bumuo ng mga nanocomposite upang mapabuti ang mga mekanikal na katangian, thermal conductivity at corrosion resistance ng materyal. Ang materyal na nanocomposite na ito ay malawakang ginagamit sa aerospace, industriya ng automotive, larangan ng enerhiya, atbp.

Mataas na temperatura ng mga materyales sa istruktura: Nanosilikon karbiday may mahusay na mataas na temperatura katatagan at kaagnasan pagtutol, at maaaring gamitin sa matinding mataas na temperatura kapaligiran. Samakatuwid, ito ay ginagamit bilang isang mataas na temperatura na istrukturang materyal sa aerospace, petrochemical, metalurhiya at iba pang larangan, tulad ng pagmamanupaktura.mataas na temperatura furnaces, mga tubo ng pugon, mga furnace lining, atbp.

Iba pang mga application: Ang nano silicon carbide ay ginagamit din sa imbakan ng hydrogen, photocatalysis at sensing, na nagpapakita ng malawak na mga prospect ng aplikasyon.