Bahan nano silikon karbida

Bahan nano silikon karbida

Bahan nano silikon karbida (bahan nano SiC) merujuk kepada bahan yang terdiri daripadasilikon karbida (SiC)dengan sekurang-kurangnya satu dimensi dalam skala nanometer (biasanya ditakrifkan sebagai 1-100nm) dalam ruang tiga dimensi. Bahan nano silikon karbida boleh dikelaskan kepada struktur sifar dimensi, satu dimensi, dua dimensi dan tiga dimensi mengikut strukturnya.

Struktur nano sifar dimensiialah struktur yang semua dimensinya berada pada skala nanometer, terutamanya termasuk nanohablur pepejal, nanosfera berongga, nanocages berongga dan nanosfera cangkang teras.

Struktur nano satu dimensimerujuk kepada struktur di mana dua dimensi terhad kepada skala nanometer dalam ruang tiga dimensi. Struktur ini mempunyai banyak bentuk, termasuk wayar nano (pusat pepejal), tiub nano (pusat berongga), tali pinggang nano atau tali pinggang nano (keratan rentas segi empat tepat) dan nanoprisma (keratan rentas berbentuk prisma). Struktur ini telah menjadi tumpuan penyelidikan intensif kerana aplikasi uniknya dalam fizik mesoskopik dan pembuatan peranti skala nano. Sebagai contoh, pembawa dalam struktur nano satu dimensi hanya boleh merambat dalam satu arah struktur (iaitu, arah membujur nanowire atau nanotube), dan boleh digunakan sebagai interkoneksi dan peranti utama dalam nanoelektronik.

Struktur nano dua dimensi, yang hanya mempunyai satu dimensi pada skala nano, biasanya berserenjang dengan satah lapisannya, seperti helaian nano, helaian nano, helaian nano dan nanosfera, telah mendapat perhatian khusus baru-baru ini, bukan sahaja untuk pemahaman asas mekanisme pertumbuhan mereka, tetapi juga untuk meneroka potensi mereka. aplikasi dalam pemancar cahaya, penderia, sel suria, dsb.

Struktur nano tiga dimensibiasanya dipanggil struktur nano kompleks, yang dibentuk oleh koleksi satu atau lebih unit struktur asas dalam dimensi sifar, satu dimensi dan dua dimensi (seperti wayar nano atau nanorod yang disambungkan oleh simpang kristal tunggal), dan dimensi geometri keseluruhannya. berada pada skala nanometer atau mikrometer. Struktur nano kompleks sedemikian dengan luas permukaan per unit volum yang tinggi memberikan banyak kelebihan, seperti laluan optik yang panjang untuk penyerapan cahaya yang cekap, pemindahan cas antara muka yang pantas, dan keupayaan pengangkutan cas boleh melaras. Kelebihan ini membolehkan struktur nano tiga dimensi memajukan reka bentuk dalam aplikasi penukaran dan penyimpanan tenaga masa hadapan. Daripada struktur 0D hingga 3D, pelbagai jenis bahan nano telah dikaji dan diperkenalkan secara beransur-ansur ke dalam industri dan kehidupan seharian.

Kaedah sintesis bahan nano SiC

Bahan sifar dimensi boleh disintesis dengan kaedah cair panas, kaedah etsa elektrokimia, kaedah pirolisis laser, dan lain-lain untuk mendapatkanSiC pepejalnanohablur antara beberapa nanometer hingga berpuluh-puluh nanometer, tetapi biasanya berbentuk pseudo-sfera, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1 Imej TEM bagi β-SiC nanocrystals yang disediakan dengan kaedah yang berbeza

(a) Sintesis Solvoterma[34]; (B) Kaedah etsa elektrokimia[35]; (c) Pemprosesan terma[48]; (d) Pirolisis laser[49]

Dasog et al. nanokristal β-SiC sfera yang disintesis dengan saiz yang boleh dikawal dan struktur yang jelas oleh tindak balas penguraian berganda keadaan pepejal antara serbuk SiO2, Mg dan C[55], seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.

Rajah 2 Imej FESEM bagi nanohablur SiC sfera dengan diameter berbeza[55]

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

Kaedah fasa wap untuk mengembangkan wayar nano SiC. Sintesis fasa gas adalah kaedah paling matang untuk membentuk wayar nano SiC. Dalam proses biasa, bahan wap yang digunakan sebagai bahan tindak balas untuk membentuk produk akhir dihasilkan melalui penyejatan, pengurangan kimia dan tindak balas gas (memerlukan suhu tinggi). Walaupun suhu tinggi meningkatkan penggunaan tenaga tambahan, wayar nano SiC yang ditanam dengan kaedah ini biasanya mempunyai integriti kristal yang tinggi, wayar nano/nanorod yang jelas, nanoprisma, nanoneedles, tiub nano, tali pinggang nano, kabel nano, dll., seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3 Morfologi tipikal bagi struktur nano SiC satu dimensi 

(a) Tatasusunan Nanowire pada gentian karbon; (b) Wayar nano ultralong pada bola Ni-Si; (c) Wayar nano; (d) Nanoprisma; (e) Buluh nano; (f) Nanoneedles; (g) Nanobones; (h) Rantai nano; (i) Tiub nano

Kaedah penyelesaian untuk penyediaan wayar nano SiC. Kaedah penyelesaian digunakan untuk menyediakan wayar nano SiC, yang mengurangkan suhu tindak balas. Kaedah ini mungkin termasuk mengkristalkan prekursor fasa larutan melalui pengurangan kimia spontan atau tindak balas lain pada suhu yang agak sederhana. Sebagai wakil kaedah penyelesaian, sintesis solvoterma dan sintesis hidroterma telah biasa digunakan untuk mendapatkan wayar nano SiC pada suhu rendah.

Bahan nano dua dimensi boleh disediakan dengan kaedah solvoterma, laser berdenyut, pengurangan haba karbon, pengelupasan mekanikal, dan plasma gelombang mikro yang dipertingkatkan.CVD. Ho et al. merealisasikan struktur nano SiC 3D dalam bentuk bunga dawai nano, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4. Imej SEM menunjukkan bahawa struktur seperti bunga mempunyai diameter 1-2 μm dan panjang 3-5 μm.

Rajah 4 imej SEM bagi bunga dawai nano SiC tiga dimensi

Prestasi bahan nano SiC

Bahan nano SiC ialah bahan seramik termaju dengan prestasi cemerlang, yang mempunyai sifat fizikal, kimia, elektrik dan lain-lain yang baik.

✔ Sifat fizikal

Kekerasan tinggi: Kekerasan mikro nano-silikon karbida berada di antara korundum dan berlian, dan kekuatan mekanikalnya lebih tinggi daripada korundum. Ia mempunyai rintangan haus yang tinggi dan pelinciran diri yang baik.

Kekonduksian terma yang tinggi: Nano-silikon karbida mempunyai kekonduksian terma yang sangat baik dan merupakan bahan konduktif terma yang sangat baik.

Pekali pengembangan haba yang rendah: Ini membolehkan nano-silikon karbida mengekalkan saiz dan bentuk yang stabil di bawah keadaan suhu tinggi.

Luas permukaan khusus yang tinggi: Salah satu ciri bahan nano, ia kondusif untuk meningkatkan aktiviti permukaan dan prestasi tindak balasnya.

✔ Sifat kimia

Kestabilan kimia: Nano-silikon karbida mempunyai sifat kimia yang stabil dan boleh mengekalkan prestasinya tidak berubah dalam pelbagai persekitaran.

Antioksidasi: Ia boleh menahan pengoksidaan pada suhu tinggi dan mempamerkan rintangan suhu tinggi yang sangat baik.

✔Sifat elektrik

Celah jalur tinggi: Celah jalur tinggi menjadikannya bahan yang ideal untuk membuat peranti elektronik frekuensi tinggi, berkuasa tinggi dan bertenaga rendah.

Mobiliti tepu elektron tinggi: Ia kondusif untuk penghantaran elektron yang cepat.

✔Ciri-ciri lain

Rintangan sinaran yang kuat: Ia boleh mengekalkan prestasi yang stabil dalam persekitaran sinaran.

Sifat mekanikal yang baik: Ia mempunyai sifat mekanikal yang sangat baik seperti modulus anjal yang tinggi.

Penggunaan bahan nano SiC

Peranti elektronik dan semikonduktor: Oleh kerana sifat elektroniknya yang sangat baik dan kestabilan suhu tinggi, nano-silikon karbida digunakan secara meluas dalam komponen elektronik berkuasa tinggi, peranti frekuensi tinggi, komponen optoelektronik dan bidang lain. Pada masa yang sama, ia juga merupakan salah satu bahan yang sesuai untuk mengeluarkan peranti semikonduktor.

Aplikasi optik: Nano-silikon karbida mempunyai jurang jalur lebar dan sifat optik yang sangat baik, dan boleh digunakan untuk mengeluarkan laser berprestasi tinggi, LED, peranti fotovoltaik, dsb.

Bahagian mekanikal: Mengambil kesempatan daripada kekerasannya yang tinggi dan rintangan hausnya, nano-silikon karbida mempunyai pelbagai aplikasi dalam pembuatan bahagian mekanikal, seperti alat pemotong berkelajuan tinggi, galas, pengedap mekanikal, dan lain-lain, yang boleh meningkatkan kehausan. rintangan dan hayat perkhidmatan bahagian.

Bahan nanokomposit: Nano-silikon karbida boleh digabungkan dengan bahan lain untuk membentuk nanokomposit untuk meningkatkan sifat mekanikal, kekonduksian terma dan rintangan kakisan bahan. Bahan nanokomposit ini digunakan secara meluas dalam aeroangkasa, industri automotif, medan tenaga, dll.

Bahan struktur suhu tinggi: Nanosilikon karbidamempunyai kestabilan suhu tinggi yang sangat baik dan rintangan kakisan, dan boleh digunakan dalam persekitaran suhu tinggi yang melampau. Oleh itu, ia digunakan sebagai bahan struktur suhu tinggi dalam aeroangkasa, petrokimia, metalurgi dan bidang lain, seperti pembuatan.relau suhu tinggi, tiub relau, pelapik relau, dsb.

Aplikasi lain: Nanosilikon karbida juga digunakan dalam penyimpanan hidrogen, fotokatalisis dan penderiaan, menunjukkan prospek aplikasi yang luas.