Ränikarbiidi nanomaterjalid

Ränikarbiidi nanomaterjalid

Ränikarbiidi nanomaterjalid (SiC nanomaterjalid) viitavad materjalidele, mis koosnevadränikarbiid (SiC)millel on vähemalt üks mõõde nanomeetri skaalal (tavaliselt defineeritud kui 1–100 nm) kolmemõõtmelises ruumis. Ränikarbiidist valmistatud nanomaterjalid võib nende struktuuri järgi liigitada null-, ühe-, kahe- ja kolmemõõtmelisteks struktuurideks.

Nullmõõtmelised nanostruktuuridon struktuurid, mille kõik mõõtmed on nanomeetri skaalal, sealhulgas peamiselt tahked nanokristallid, õõnsad nanosfäärid, õõnsad nanopuurid ja tuuma-kesta nanosfäärid.

Ühemõõtmelised nanostruktuuridviitavad struktuuridele, mille kaks mõõdet on piiratud nanomeetri skaalaga kolmemõõtmelises ruumis. Sellel struktuuril on palju vorme, sealhulgas nanojuhtmed (tahke kese), nanotorud (õõneskeskus), nanovööd või nanovööd (kitsas ristkülikukujuline ristlõige) ja nanoprismad (prismakujuline ristlõige). See struktuur on muutunud intensiivse uurimistöö keskmeks tänu oma ainulaadsetele rakendustele mesoskoopilises füüsikas ja nanomõõtmeliste seadmete tootmises. Näiteks ühemõõtmelistes nanostruktuurides olevad kandjad saavad levida ainult struktuuri ühes suunas (st nanojuhtme või nanotoru pikisuunas) ning neid saab kasutada nanoelektroonika ühenduste ja võtmeseadmetena.

Kahemõõtmelised nanostruktuurid, millel on nanomõõtmes ainult üks mõõde, mis on tavaliselt nende kihi tasapinnaga risti, nagu nanolehed, nanolehed, nanolehed ja nanosfäärid, on viimasel ajal pälvinud erilist tähelepanu mitte ainult nende kasvumehhanismi põhiteadmiseks, vaid ka nende potentsiaali uurimiseks. rakendused valguskiirgurites, andurites, päikesepatareides jne.

Kolmemõõtmelised nanostruktuuridnimetatakse tavaliselt kompleksseteks nanostruktuurideks, mis moodustuvad ühest või enamast null-, ühe- ja kahemõõtmelisest põhistruktuuriüksusest (nagu nanojuhtmed või nanovardad, mis on ühendatud monokristallide ristmike kaudu) ja nende üldised geomeetrilised mõõtmed. on nanomeetri või mikromeetri skaalal. Sellised keerukad nanostruktuurid, millel on suur pindala ruumalaühiku kohta, pakuvad palju eeliseid, nagu pikad optilised teed tõhusaks valguse neeldumiseks, kiire liidese laengu ülekandmine ja häälestatavad laengu transpordivõimalused. Need eelised võimaldavad kolmemõõtmelistel nanostruktuuridel edendada projekteerimist tulevastes energia muundamise ja salvestamise rakendustes. Alates 0D-st kuni 3D-struktuurideni on uuritud mitmesuguseid nanomaterjale, mis on järk-järgult kasutusele võetud tööstuses ja igapäevaelus.

SiC nanomaterjalide sünteesimeetodid

Nullmõõtmelisi materjale saab sünteesida kuumsulatusmeetodil, elektrokeemilise söövitusmeetodil, laserpürolüüsi meetodil jne.SiC tahkenanokristallid, mis ulatuvad mõnest nanomeetrist kuni kümnete nanomeetriteni, kuid on tavaliselt pseudosfäärilised, nagu on näidatud joonisel 1.

Joonis 1 Erinevate meetoditega valmistatud β-SiC nanokristallide TEM-pildid

a) solvotermiline süntees[34]; (B) elektrokeemiline söövitusmeetod[35]; c) termiline töötlemine[48]; d) Laserpürolüüs[49]

Dasog et al. sünteesiti kontrollitava suuruse ja selge struktuuriga sfäärilisi β-SiC nanokristalle SiO2, Mg ja C pulbrite vahelise tahke faasi topeltlagunemise reaktsiooniga [55], nagu on näidatud joonisel 2.

Joonis 2 FESEM-kujutised erineva läbimõõduga sfäärilistest SiC nanokristallidest[55]

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

Aurufaasi meetod SiC nanojuhtmete kasvatamiseks. Gaasifaasi süntees on kõige küpsem meetod SiC nanojuhtmete moodustamiseks. Tüüpilises protsessis tekivad lõpptoote moodustamiseks reagentidena kasutatavad aurud aurustamise, keemilise redutseerimise ja gaasilise reaktsiooni (nõuab kõrget temperatuuri) teel. Kuigi kõrge temperatuur suurendab täiendavat energiatarbimist, on selle meetodiga kasvatatud SiC nanojuhtmetel tavaliselt kõrge kristallide terviklikkus, selged nanojuhtmed/nanoroodid, nanoprismad, nanonõelad, nanotorud, nanorihmad, nanokaablid jne, nagu on näidatud joonisel 3.

Joonis 3 Ühemõõtmeliste SiC nanostruktuuride tüüpilised morfoloogiad 

a) nanotraatmassiivid süsinikkiududel; (b) ülipikad nanotraadid Ni-Si kuulidel; c) nanojuhtmed; d) nanoprismad; e) nanobambus; f) nanonõelad; g) nanoluud; h) nanoahelad; i) nanotorud

Lahendusmeetod SiC nanojuhtmete valmistamiseks. SiC nanojuhtmete valmistamiseks kasutatakse lahusmeetodit, mis vähendab reaktsiooni temperatuuri. Meetod võib hõlmata lahusefaasi prekursori kristallimist spontaanse keemilise redutseerimise või muude reaktsioonide kaudu suhteliselt madalal temperatuuril. Lahusmeetodi esindajatena on madalatel temperatuuridel SiC nanojuhtmete saamiseks tavaliselt kasutatud solvotermilist sünteesi ja hüdrotermilist sünteesi.

Kahemõõtmelisi nanomaterjale saab valmistada solvotermiliste meetoditega, impulsslaserite, süsiniku termilise redutseerimise, mehaanilise koorimise ja mikrolaineplasmaga.CVD. Ho et al. realiseeris 3D SiC nanostruktuuri nanotraadist lille kujul, nagu on näidatud joonisel 4. SEM-kujutis näitab, et lilletaolise struktuuri läbimõõt on 1–2 μm ja pikkus 3–5 μm.

Joonis 4 SEM-kujutis kolmemõõtmelisest SiC nanojuhtmest lillest

SiC nanomaterjalide jõudlus

SiC nanomaterjalid on suurepärase jõudlusega täiustatud keraamiline materjal, millel on head füüsikalised, keemilised, elektrilised ja muud omadused.

✔ Füüsikalised omadused

Kõrge kõvadus: nano-ränikarbiidi mikrokõvadus on korundi ja teemandi vahel ning selle mehaaniline tugevus on kõrgem kui korundil. Sellel on kõrge kulumiskindlus ja hea isemäärimine.

Kõrge soojusjuhtivus: nanoränikarbiidil on suurepärane soojusjuhtivus ja see on suurepärane soojusjuhtiv materjal.

Madal soojuspaisumise koefitsient: see võimaldab nano-ränikarbiidil säilitada kõrge temperatuuri tingimustes stabiilse suuruse ja kuju.

Suur eripind: nanomaterjalide üks omadusi, see aitab parandada nende pinnaaktiivsust ja reaktsioonivõimet.

✔ Keemilised omadused

Keemiline stabiilsus: Nano-ränikarbiidil on stabiilsed keemilised omadused ja see võib säilitada oma jõudluse muutumatuna erinevates keskkondades.

Antioksüdatsioon: see talub kõrgel temperatuuril oksüdeerumist ja sellel on suurepärane kõrge temperatuuritaluvus.

✔Elektrilised omadused

Kõrge ribalaius: kõrge ribalaius muudab selle ideaalseks materjaliks kõrgsageduslike, suure võimsusega ja madala energiatarbega elektroonikaseadmete valmistamiseks.

Suur elektronide küllastusliikuvus: see soodustab elektronide kiiret ülekandmist.

✔Muud omadused

Tugev kiirguskindlus: see suudab säilitada stabiilse jõudluse kiirguskeskkonnas.

Head mehaanilised omadused: sellel on suurepärased mehaanilised omadused, näiteks kõrge elastsusmoodul.

SiC nanomaterjalide kasutamine

Elektroonika ja pooljuhtseadmed: Suurepäraste elektrooniliste omaduste ja kõrge temperatuuri stabiilsuse tõttu kasutatakse nano-ränikarbiidi laialdaselt suure võimsusega elektroonikakomponentides, kõrgsagedusseadmetes, optoelektroonilistes komponentides ja muudes valdkondades. Samal ajal on see ka üks ideaalseid materjale pooljuhtseadmete valmistamiseks.

Optilised rakendused: Nano-ränikarbiidil on lai ribalaius ja suurepärased optilised omadused ning seda saab kasutada suure jõudlusega laserite, LED-ide, fotogalvaaniliste seadmete jms valmistamiseks.

Mehaanilised osad: Nano-ränikarbiidil on oma kõrge kõvaduse ja kulumiskindluse eeliseid kasutades lai valik rakendusi mehaaniliste osade, näiteks kiirete lõikeriistade, laagrite, mehaaniliste tihendite jms valmistamisel, mis võib kulumist oluliselt parandada. osade vastupidavus ja kasutusiga.

Nanokomposiitmaterjalid: Nano-ränikarbiidi saab kombineerida teiste materjalidega, moodustades nanokomposiite, et parandada materjali mehaanilisi omadusi, soojusjuhtivust ja korrosioonikindlust. Seda nanokomposiitmaterjali kasutatakse laialdaselt kosmosetööstuses, autotööstuses, energiavaldkonnas jne.

Kõrge temperatuuriga konstruktsioonimaterjalid: Nanoränikarbiidon suurepärase kõrge temperatuuri stabiilsuse ja korrosioonikindlusega ning seda saab kasutada äärmuslikult kõrge temperatuuriga keskkondades. Seetõttu kasutatakse seda kõrge temperatuuriga konstruktsioonimaterjalina lennunduses, naftakeemias, metallurgias ja muudes valdkondades, näiteks tootmises.kõrge temperatuuriga ahjud, ahju torud, ahju vooderdised jne.

Muud rakendused: Nanoränikarbiidi kasutatakse ka vesiniku säilitamisel, fotokatalüüsil ja tuvastusel, mis näitab laialdasi kasutusvõimalusi.