Siliconen carbide nanomaterialen

Siliconen carbide nanomaterialen

Siliciumcarbide nanomaterialen (sic nanomaterialen) verwijzen naar materialen die zijn samengesteld uitSiliconencarbide (sic)met ten minste één dimensie in de nanometerschaal (meestal gedefinieerd als 1-100 nm) in driedimensionale ruimte. Siliciumcarbide nanomaterialen kunnen worden ingedeeld in nul-dimensionale, eendimensionale, tweedimensionale en driedimensionale structuren volgens hun structuur.

Nul-dimensionale nanostructurenzijn structuren waarvan alle dimensies zich op de nanometerschaal bevinden, voornamelijk inclusief vaste nanokristallen, holle nanosferen, holle nanocages en kernschaal nanosferen.

Eendimensionale nanostructurenRaadpleeg structuren waarin twee dimensies zijn beperkt tot de nanometerschaal in driedimensionale ruimte. Deze structuur heeft vele vormen, waaronder nanodraden (vast centrum), nanobuisjes (holle centrum), nanobelt of nanobelt (smalle rechthoekige dwarsdoorsnede) en nanoprismes (prisma-vormige dwarsdoorsnede). Deze structuur is de focus geworden van intensief onderzoek vanwege zijn unieke toepassingen in de mesoscopische fysica en de productie van apparaten op nanoschaal. Dragers in eendimensionale nanostructuren kunnen bijvoorbeeld alleen in één richting van de structuur zich voortplanten (d.w.z. de longitudinale richting van de nanodraad of nanobuis) en kunnen worden gebruikt als interconnects en sleutelapparaten in nano-elektronica.

Tweedimensionale nanostructuren, die slechts één dimensie hebben op het nanoschaal, meestal loodrecht op hun laagvlak, zoals nanosheets, nanosheets, nanosheets en nanosferen, hebben onlangs speciale aandacht gekregen, niet alleen voor het basiskennis van hun groeimechanisme, maar ook voor het verkennen van hun potentiële toepassingen in lichte emitters, sensoren, sensoren, enz.

Driedimensionale nanostructurenworden meestal complexe nanostructuren genoemd, die worden gevormd door een verzameling van een of meer basale structurele eenheden in nuldimensionaal, eendimensionaal en tweedimensionaal (zoals nanodraden of nanodods verbonden door enkele kristal junctions), en hun algemene geometrische dimensies zijn op de nanometer of micrometerschaal. Dergelijke complexe nanostructuren met een hoog oppervlak per volume -eenheid bieden veel voordelen, zoals lange optische paden voor efficiënte lichtabsorptie, snelle interfaciale ladingsoverdracht en instelbare laadtransportmogelijkheden. Deze voordelen stellen driedimensionale nanostructuren in staat om ontwerp te bevorderen in toekomstige energieconversie- en opslagtoepassingen. Van 0d tot 3D -structuren is een breed scala aan nanomaterialen bestudeerd en geleidelijk geïntroduceerd in de industrie en het dagelijks leven.

Synthesemethoden van sic nanomaterialen

Zero-dimensionale materialen kunnen worden gesynthetiseerd door een hot smelt-methode, elektrochemische etsmethode, laserpyrolysemethode, enz.SIC SolidNanokristallen variërend van enkele nanometer tot tientallen nanometers, maar zijn meestal pseudo-spherisch, zoals getoond in figuur 1.

Figuur 1 TEM-beelden van β-SIC nanokristallen bereid door verschillende methoden

(a) solvothermische synthese [34]; (B) elektrochemische etsenmethode [35]; (c) thermische verwerking [48]; (d) Laserpyrolyse [49]

Dasog et al. Gesynthetiseerde sferische β-SIC-nanokristallen met controleerbare grootte en duidelijke structuur door dubbele ontledingsreactie met vaste toestand tussen SiO2-, MG- en C-poeders [55], zoals getoond in figuur 2.

Figuur 2 FESEM -afbeeldingen van sferische sic nanokristallen met verschillende diameters [55]

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

Dampfasemethode voor het kweken van SIC -nanodraden. Gasfasesynthese is de meest volwassen methode voor het vormen van SIC -nanodraden. In een typisch proces worden dampstoffen die worden gebruikt als reactanten om het eindproduct te vormen gegenereerd door verdamping, chemische reductie en gasvormige reactie (die hoge temperatuur vereisen). Hoewel hoge temperatuur het extra energieverbruik verhoogt, hebben de SIC -nanodraden die volgens deze methode worden gekweekt meestal een hoge kristalintegriteit, heldere nanodraden/nanodraten, nanoprismes, nanonegeedles, nanobuisjes, nanobelt, nanokabels, enz., Zoals getoond in figuur 3.

Figuur 3 Typische morfologieën van eendimensionale SIC-nanostructuren 

(a) nanodraadarrays op koolstofvezels; (b) ultralong nanodraden op Ni-Si-ballen; (c) nanodraden; (d) nanoprisms; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobonen; (H) nanochains; (i) Nanobuisjes

Oplossingsmethode voor het bereiden van SIC -nanodraden. De oplossingsmethode wordt gebruikt om SIC -nanodraden te bereiden, die de reactietemperatuur vermindert. De methode kan het kristalliseren van een voorloper van een oplossingsfase omvatten door spontane chemische reductie of andere reacties bij een relatief milde temperatuur. Als vertegenwoordigers van de oplossingsmethode zijn solvothermische synthese en hydrothermische synthese vaak gebruikt om SIC -nanodraden bij lage temperaturen te verkrijgen.

Tweedimensionale nanomaterialen kunnen worden bereid door solvothermische methoden, gepulseerde lasers, koolstof thermische reductie, mechanische peeling en microgolfplasma verbeterdCVD. Ho et al. realiseerde een 3D SIC nanostructuur in de vorm van een nanodraadbloem, zoals getoond in figuur 4. Het SEM-beeld laat zien dat de bloemachtige structuur een diameter van 1-2 μm heeft en een lengte van 3-5 μm.

Figuur 4 SEM-afbeelding van een driedimensionale sic nanodire bloem

Uitvoering van SIC -nanomaterialen

SIC -nanomaterialen zijn een geavanceerd keramisch materiaal met uitstekende prestaties, dat goede fysische, chemische, elektrische en andere eigenschappen heeft.

✔ Fysieke eigenschappen

Hoge hardheid: de microhardheid van nano-siliciumcarbide ligt tussen Corundum en Diamond, en de mechanische sterkte is hoger dan die van Corundum. Het heeft een hoge slijtageweerstand en goede zelfmoer.

Hoge thermische geleidbaarheid: nano-siliciumcarbide heeft een uitstekende thermische geleidbaarheid en is een uitstekend thermisch geleidend materiaal.

Lage thermische expansiecoëfficiënt: hierdoor kan nano-siliciumcarbide een stabiele grootte en vorm onderhouden onder hoge temperatuuromstandigheden.

Hoog specifiek oppervlak: een van de kenmerken van nanomaterialen, het is bevorderlijk voor het verbeteren van de oppervlakteactiviteit en reactieprestaties.

✔ Chemische eigenschappen

Chemische stabiliteit: Nano-Silicon-carbide heeft stabiele chemische eigenschappen en kan zijn prestaties ongewijzigd houden onder verschillende omgevingen.

Antioxidatie: het kan oxidatie weerstaan ​​bij hoge temperaturen en vertoont een uitstekende weerstand op hoge temperatuur.

✔Elektrische eigenschappen

Hoge bandgap: de hoge bandgap maakt het een ideaal materiaal voor het maken van hoogfrequente, krachtige en low-energy elektronische apparaten.

Hoge elektronenverzadigingsmobiliteit: het is bevorderlijk voor de snelle transmissie van elektronen.

✔Andere kenmerken

Sterke stralingsweerstand: het kan stabiele prestaties in een stralingsomgeving behouden.

Goede mechanische eigenschappen: het heeft uitstekende mechanische eigenschappen zoals hoge elastische modulus.

Toepassing van sic nanomaterialen

Elektronica- en halfgeleiderapparaten: Vanwege de uitstekende elektronische eigenschappen en stabiliteit op hoge temperatuur wordt nano-siliciumcarbide veel gebruikt in elektronische componenten met krachtige kracht, hoogfrequente apparaten, opto-elektronische componenten en andere velden. Tegelijkertijd is het ook een van de ideale materialen voor het produceren van halfgeleiderapparaten.

Optische toepassingen: Nano-Silicon-carbide heeft een brede bandgap en uitstekende optische eigenschappen en kan worden gebruikt om hoogwaardige lasers, LED's, fotovoltaïsche apparaten, enz.

Mechanische delen: Gebruik maken van de hoge hardheid en slijtvastheid, heeft nano-siliciumcarbide een breed scala aan toepassingen bij de vervaardiging van mechanische onderdelen, zoals high-speed snijgereedschappen, lagers, mechanische afdichtingen, enz., Die de slijtvastheid en levensduur van de onderdelen aanzienlijk kunnen verbeteren.

Nanocomposietmaterialen: Nano-siliciumcarbide kan worden gecombineerd met andere materialen om nanocomposieten te vormen om de mechanische eigenschappen, thermische geleidbaarheid en corrosieweerstand van het materiaal te verbeteren. Dit nanocomposietmateriaal wordt veel gebruikt in ruimtevaart, auto -industrie, energieveld, enz.

Structurele materialen met hoge temperatuur: NanosiliciumcarbideHeeft een uitstekende stabiliteit van hoge temperatuur en corrosieweerstand en kan worden gebruikt in extreme omgevingen op hoge temperatuur. Daarom wordt het gebruikt als structureel materiaal met hoge temperatuur in ruimtevaart, petrochemische, metallurgie en andere velden, zoals productieOvens op hoge temperatuur, ovenbuizen, ovenbekledingen, etc.

Andere toepassingen: Nanosiliciumcarbide wordt ook gebruikt bij waterstofopslag, fotokatalyse en detectie, met brede toepassingsperspectieven.