Νανοϋλικά καρβιδίου του πυριτίου

Νανοϋλικά καρβιδίου του πυριτίου

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

Μηδενικές διαστάσεις νανοδομέςείναι δομές των οποίων όλες οι διαστάσεις είναι της κλίμακας νανομέτρων, συμπεριλαμβανομένων κυρίως των στερεών νανοκρυστάλλων, των κοίλων νανοσφαίρων, των κοίλων νανοκιβωτίων και των νανοσφαιρών του πυρήνα του κελύφους.

Μονοδιάστατες νανοδομέςαναφέρονται σε κατασκευές στις οποίες δύο διαστάσεις περιορίζονται στην κλίμακα νανομέτρων σε τρισδιάστατο χώρο. Αυτή η δομή έχει πολλές μορφές, όπως νανοσύρματα (συμπαγές κέντρο), νανοσωλήνες (κοίλο κέντρο), νανοιμάντες ή νανοζώνες (στενή ορθογώνια διατομή) και νανοπρίσματα (διατομή σε σχήμα πρίσματος). Αυτή η δομή έχει γίνει το επίκεντρο εντατικής έρευνας λόγω των μοναδικών εφαρμογών της στη μεσοσκοπική φυσική και στην κατασκευή συσκευών νανοκλίμακας. Για παράδειγμα, οι φορείς σε μονοδιάστατες νανοδομές μπορούν να διαδοθούν μόνο προς μία κατεύθυνση της δομής (δηλαδή, τη διαμήκη διεύθυνση του νανοσύρματος ή του νανοσωλήνα) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως διασυνδέσεις και βασικές συσκευές στη νανοηλεκτρονική.

Δισδιάστατες νανοδομές, που έχουν μόνο μία διάσταση στη νανοκλίμακα, συνήθως κάθετη στο επίπεδο στρώσης τους, όπως νανοφύλλα, νανοφύλλα, νανοφύλλα και νανοσφαίρες, έχουν λάβει ιδιαίτερη προσοχή πρόσφατα, όχι μόνο για τη βασική κατανόηση του μηχανισμού ανάπτυξής τους, αλλά και για τη διερεύνηση των δυνατοτήτων τους. εφαρμογές σε εκπομπούς φωτός, αισθητήρες, ηλιακά κύτταρα κ.λπ.

Τρισδιάστατες νανοδομέςονομάζονται συνήθως πολύπλοκες νανοδομές, οι οποίες σχηματίζονται από μια συλλογή μιας ή περισσότερων βασικών δομικών μονάδων σε μηδενικές, μονοδιάστατες και δισδιάστατες (όπως νανοσύρματα ή νανοράβδους που συνδέονται με μονοκρυσταλλικές διασταυρώσεις) και τις συνολικές γεωμετρικές τους διαστάσεις είναι στην κλίμακα νανομέτρου ή μικρομέτρου. Τέτοιες πολύπλοκες νανοδομές με υψηλή επιφάνεια ανά μονάδα όγκου παρέχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως μακριές οπτικές διαδρομές για αποτελεσματική απορρόφηση φωτός, γρήγορη μεταφορά φορτίου μεταξύ των επιφανειών και δυνατότητες συντονισμού μεταφοράς φορτίου. Αυτά τα πλεονεκτήματα επιτρέπουν στις τρισδιάστατες νανοδομές να προωθήσουν το σχεδιασμό σε μελλοντικές εφαρμογές μετατροπής και αποθήκευσης ενέργειας. Από 0D έως 3D δομές, μια μεγάλη ποικιλία νανοϋλικών έχει μελετηθεί και εισαχθεί σταδιακά στη βιομηχανία και την καθημερινή ζωή.

Μέθοδοι σύνθεσης νανοϋλικών SiC

Τα υλικά μηδενικών διαστάσεων μπορούν να συντεθούν με τη μέθοδο θερμής τήξης, τη μέθοδο ηλεκτροχημικής χάραξης, τη μέθοδο πυρόλυσης λέιζερ κ.λπ.Στερεό SiCνανοκρύσταλλοι που κυμαίνονται από μερικά νανόμετρα έως δεκάδες νανόμετρα, αλλά είναι συνήθως ψευδοσφαιρικοί, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1 Εικόνες TEM νανοκρυστάλλων β-SiC που παρασκευάζονται με διαφορετικές μεθόδους

(α) Διαλυτοθερμική σύνθεση[34]. (Β) Μέθοδος ηλεκτροχημικής χάραξης[35]. (γ) Θερμική επεξεργασία[48]. (δ) Πυρόλυση με λέιζερ[49]

Οι Dasog et al. συντέθηκαν σφαιρικοί νανοκρύσταλλοι β-SiC με ελεγχόμενο μέγεθος και διαυγή 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 ατμού για την ανάπτυξη νανοσυρμάτων SiC. Η σύνθεση αέριας φάσης είναι η πιο ώριμη μέθοδος για το σχηματισμό νανοσυρμάτων SiC. Σε μια τυπική διαδικασία, οι ουσίες ατμού που χρησιμοποιούνται ως αντιδρώντα για το σχηματισμό του τελικού προϊόντος παράγονται με εξάτμιση, χημική αναγωγή και αέρια αντίδραση (που απαιτεί υψηλή θερμοκρασία). Αν και η υψηλή θερμοκρασία αυξάνει την πρόσθετη κατανάλωση ενέργειας, τα νανοσύρματα SiC που αναπτύσσονται με αυτή τη μέθοδο έχουν συνήθως υψηλή κρυσταλλική ακεραιότητα, διαυγή νανοσύρματα/νανοράβδοι, νανοπρίσματα, νανοβελόνες, νανοσωλήνες, νανοζώνες, νανοκαλώδια κ.λπ., όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.

Εικόνα 3 Τυπικές μορφολογίες μονοδιάστατων νανοδομών SiC 

(α) Συστοιχίες νανοσυρμάτων σε ίνες άνθρακα. (β) Υπερμακρή νανοσύρματα σε μπάλες Ni-Si. (γ) Νανοσύρματα. (δ) Νανοπρίσματα. (ε) Nanobamboo; (στ) Νανοβελόνες. (ζ) Νανοκόκαλα. (η) Νανοαλυσίδες. (i) Νανοσωλήνες

Μέθοδος λύσης για την παρασκευή νανοσυρμάτων SiC. Η μέθοδος διαλύματος χρησιμοποιείται για την παρασκευή νανοσυρμάτων SiC, γεγονός που μειώνει τη θερμοκρασία της αντίδρασης. Η μέθοδος μπορεί να περιλαμβάνει κρυστάλλωση ενός προδρόμου φάσης διαλύματος μέσω αυθόρμητης χημικής αναγωγής ή άλλων αντιδράσεων σε σχετικά ήπια θερμοκρασία. Ως εκπρόσωποι της μεθόδου διαλύματος, η διαλυτοθερμική σύνθεση και η υδροθερμική σύνθεση έχουν χρησιμοποιηθεί συνήθως για τη λήψη νανοσυρμάτων SiC σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Τα δισδιάστατα νανοϋλικά μπορούν να παρασκευαστούν με διαλυτοθερμικές μεθόδους, παλμικά λέιζερ, θερμική αναγωγή άνθρακα, μηχανική απολέπιση και ενίσχυση με πλάσμα μικροκυμάτωνCVD. Οι Ho et al. πραγματοποίησε μια τρισδιάστατη νανοδομή SiC σε σχήμα λουλουδιού νανοσύρματος, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Η εικόνα SEM δείχνει ότι η δομή που μοιάζει με λουλούδι έχει διάμετρο 1-2 μm και μήκος 3-5 μm.

Εικόνα 4 Εικόνα SEM ενός τρισδιάστατου λουλουδιού νανοσύρματος SiC

Απόδοση νανοϋλικών SiC

Τα νανοϋλικά SiC είναι ένα προηγμένο κεραμικό υλικό με εξαιρετική απόδοση, το οποίο έχει καλές φυσικές, χημικές, ηλεκτρικές και άλλες ιδιότητες.

✔ Φυσικές ιδιότητες

Υψηλή σκληρότητα: Η μικροσκληρότητα του καρβιδίου νανο-πυριτίου είναι μεταξύ κορούνδιου και διαμαντιού και η μηχανική του αντοχή είναι υψηλότερη από αυτή του κορουνδίου. Έχει υψηλή αντοχή στη φθορά και καλή αυτολίπανση.

Υψηλή θερμική αγωγιμότητα: Το καρβίδιο του νανο-πυριτίου έχει εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα και είναι ένα εξαιρετικό θερμικά αγώγιμο υλικό.

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

Υψηλή ειδική επιφάνεια: Ένα από τα χαρακτηριστικά των νανοϋλικών, συμβάλλει στη βελτίωση της επιφανειακής δραστηριότητας και της απόδοσης της αντίδρασης.

✔ Χημικές ιδιότητες

Χημική σταθερότητα: Το νανοκαρβίδιο του πυριτίου έχει σταθερές χημικές ιδιότητες και μπορεί να διατηρήσει την απόδοσή του αμετάβλητη σε διάφορα περιβάλλοντα.

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

✔Ηλεκτρικές ιδιότητες

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

Υψηλή κινητικότητα κορεσμού ηλεκτρονίων: Ευνοεί την ταχεία μετάδοση ηλεκτρονίων.

✔Άλλα χαρακτηριστικά

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

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

Εφαρμογή νανοϋλικών SiC

Ηλεκτρονικά και συσκευές ημιαγωγών: Λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων και της σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες, το νανοκαρβίδιο του πυριτίου 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-πυριτίου έχει μεγάλο διάκενο ζώνης και εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή λέιζερ υψηλής απόδοσης, LED, φωτοβολταϊκών συσκευών κ.λπ.

Μηχανικά μέρη: Εκμεταλλευόμενος την υψηλή του σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, το νανοκαρβίδιο του πυριτίου έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην κατασκευή μηχανικών εξαρτημάτων, όπως εργαλεία κοπής υψηλής ταχύτητας, ρουλεμάν, μηχανικά στεγανοποιητικά κ.λπ., τα οποία μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τη φθορά αντίσταση και διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων.

Νανοσύνθετα υλικά: Το νανοκαρβίδιο του πυριτίου μπορεί να συνδυαστεί με άλλα υλικά για να σχηματίσει 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, την αυτοκινητοβιομηχανία, τον ενεργειακό τομέα κ.λπ.

Υψηλής θερμοκρασίας δομικά υλικά: Νανοκαρβίδιο του πυριτίουέχει εξαιρετική σταθερότητα υψηλής θερμοκρασίας και αντοχή στη διάβρωση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε περιβάλλοντα ακραίων υψηλών θερμοκρασιών. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ως δομικό υλικό υψηλής θερμοκρασίας στην αεροδιαστημική, την πετροχημική, τη μεταλλουργία και άλλους τομείς, όπως η κατασκευήφούρνους υψηλής θερμοκρασίας, σωλήνες κλιβάνου, επενδύσεις κλιβάνου κ.λπ.

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