Nanomaterialen van siliciumcarbide

Nanomaterialen van siliciumcarbide

Siliciumcarbide-nanomaterialen (SiC-nanomaterialen) verwijzen naar materialen die zijn samengesteld uitsiliciumcarbide (SiC)met ten minste één dimensie op nanometerschaal (meestal gedefinieerd als 1-100 nm) in een driedimensionale ruimte. Nanomaterialen van siliciumcarbide kunnen worden ingedeeld in nuldimensionale, eendimensionale, tweedimensionale en driedimensionale structuren, afhankelijk van hun structuur.

Nuldimensionale nanostructurenzijn structuren waarvan alle afmetingen op nanometerschaal liggen, voornamelijk inclusief vaste nanokristallen, holle nanosferen, holle nanokooien en kern-schil nanosferen.

Eendimensionale nanostructurenverwijzen naar structuren waarin twee dimensies beperkt zijn tot de nanometerschaal in een driedimensionale ruimte. Deze structuur kent vele vormen, waaronder nanodraden (massief midden), nanobuisjes (hol midden), nanobanden of nanobanden (smalle rechthoekige dwarsdoorsnede) en nanoprisma's (prismavormige dwarsdoorsnede). Deze structuur is de focus geworden van intensief onderzoek vanwege de unieke toepassingen ervan in de mesoscopische fysica en de productie van apparaten op nanoschaal. Dragers in eendimensionale nanostructuren kunnen zich bijvoorbeeld slechts in één richting van de structuur voortplanten (dat wil zeggen de longitudinale richting van de nanodraad of nanobuis), en kunnen worden gebruikt als verbindingen en sleutelelementen in de nano-elektronica.

Tweedimensionale nanostructuren, die slechts één dimensie op nanoschaal hebben, meestal loodrecht op hun laagvlak, zoals nanosheets, nanosheets, nanosheets en nanosferen, hebben onlangs speciale aandacht gekregen, niet alleen voor het basisbegrip van hun groeimechanisme, maar ook voor het verkennen van hun potentieel toepassingen in lichtstralers, sensoren, zonnecellen, etc.

Driedimensionale nanostructurenworden gewoonlijk complexe nanostructuren genoemd, die worden gevormd door een verzameling van een of meer structurele basiseenheden in nuldimensionaal, eendimensionaal en tweedimensionaal (zoals nanodraden of nanostaafjes verbonden door enkelvoudige kristalverbindingen), en hun algemene geometrische afmetingen bevinden zich op nanometer- of micrometerschaal. Dergelijke complexe nanostructuren met een hoog oppervlak per volume-eenheid bieden veel voordelen, zoals lange optische paden voor efficiënte lichtabsorptie, snelle grensvlakladingsoverdracht en afstembare ladingstransportmogelijkheden. Deze voordelen maken het mogelijk dat driedimensionale nanostructuren het ontwerp van toekomstige toepassingen voor energieconversie en -opslag kunnen bevorderen. Van 0D- tot 3D-structuren, een grote verscheidenheid aan nanomaterialen is bestudeerd en geleidelijk geïntroduceerd in de industrie en het dagelijks leven.

Synthesemethoden van SiC-nanomaterialen

Nuldimensionale materialen kunnen worden gesynthetiseerd door middel van hotmeltmethode, elektrochemische etsmethode, laserpyrolysemethode, enz.SiC vastnanokristallen variërend van enkele nanometers tot tientallen nanometers, maar zijn meestal pseudo-bolvormig, zoals weergegeven in figuur 1.

Figuur 1 TEM-afbeeldingen van β-SiC-nanokristallen bereid met verschillende methoden

(a) Solvothermische synthese[34]; (B) Elektrochemische etsmethode [35]; (c) Thermische verwerking[48]; (d) Laserpyrolyse[49]

Dasog et al. gesynthetiseerde bolvormige β-SiC-nanokristallen met controleerbare grootte en duidelijke structuur door dubbele ontledingsreactie in vaste toestand tussen SiO2-, Mg- en C-poeders [55], zoals weergegeven in figuur 2.

Figuur 2 FESEM-afbeeldingen van bolvormige 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 als reactanten worden gebruikt om het eindproduct te vormen, gegenereerd door verdamping, chemische reductie en gasvormige reactie (waarbij een hoge temperatuur vereist is). Hoewel hoge temperaturen het extra energieverbruik verhogen, hebben de met deze methode gekweekte SiC-nanodraden doorgaans een hoge kristalintegriteit, heldere nanodraden/nanodraden, nanoprisma's, nanonaalden, nanobuisjes, nanobanden, nanokabels, enz., zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3 Typische morfologieën van eendimensionale SiC-nanostructuren 

(a) Nanodraadarrays op koolstofvezels; (b) Ultralange nanodraden op Ni-Si-ballen; (c) nanodraden; (d) nanoprisma's; e) nanobamboe; f) nanonaalden; (g) nanobotten; (h) nanoketens; (i) Nanobuisjes

Oplossingsmethode voor de bereiding van SiC-nanodraden. De oplossingsmethode wordt gebruikt om SiC-nanodraden te bereiden, waardoor de reactietemperatuur wordt verlaagd. De werkwijze kan het kristalliseren van een oplossingsfasevoorloper omvatten door middel van spontane chemische reductie of andere reacties bij een relatief milde temperatuur. Als vertegenwoordigers van de oplossingsmethode worden solvothermische synthese en hydrothermische synthese vaak gebruikt om SiC-nanodraden bij lage temperaturen te verkrijgen.

Tweedimensionale nanomaterialen kunnen worden bereid met behulp van solvothermische methoden, gepulseerde lasers, thermische koolstofreductie, mechanische exfoliatie en verbeterde microgolfplasma.CVD. Ho et al. realiseerde een 3D SiC-nanostructuur in de vorm van een nanodraadbloem, zoals weergegeven in Figuur 4. Het SEM-beeld laat zien dat de bloemachtige structuur een diameter heeft van 1-2 μm en een lengte van 3-5 μm.

Figuur 4 SEM-afbeelding van een driedimensionale SiC-nanodraadbloem

Prestaties van SiC-nanomaterialen

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

✔ Fysieke eigenschappen

Hoge hardheid: De microhardheid van nano-siliciumcarbide ligt tussen korund en diamant, en de mechanische sterkte is hoger dan die van korund. Het heeft een hoge slijtvastheid en een goede zelfsmering.

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

Lage thermische uitzettingscoëfficiënt: Hierdoor kan nano-siliciumcarbide een stabiele grootte en vorm behouden onder hoge temperatuuromstandigheden.

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

✔ Chemische eigenschappen

Chemische stabiliteit: Nano-siliciumcarbide heeft stabiele chemische eigenschappen en kan zijn prestaties onder verschillende omgevingen onveranderd behouden.

Antioxidatie: Het is bestand tegen oxidatie bij hoge temperaturen en vertoont een uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen.

✔Elektrische eigenschappen

Hoge bandafstand: De hoge bandafstand maakt het een ideaal materiaal voor het maken van elektronische apparaten met hoge frequentie, hoog vermogen en lage energie.

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

✔Andere kenmerken

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

Goede mechanische eigenschappen: Het heeft uitstekende mechanische eigenschappen, zoals een hoge elasticiteitsmodulus.

Toepassing van SiC-nanomaterialen

Elektronica en halfgeleiderapparaten: Vanwege de uitstekende elektronische eigenschappen en stabiliteit bij hoge temperaturen wordt nano-siliciumcarbide veel gebruikt in elektronische componenten met hoog vermogen, hoogfrequente apparaten, opto-elektronische componenten en andere velden. Tegelijkertijd is het ook een van de ideale materialen voor de productie van halfgeleiderapparaten.

Optische toepassingen: Nano-siliciumcarbide heeft een grote bandafstand en uitstekende optische eigenschappen en kan worden gebruikt voor de productie van hoogwaardige lasers, LED's, fotovoltaïsche apparaten, enz.

Mechanische onderdelen: Door gebruik te maken van de hoge hardheid en slijtvastheid heeft nano-siliciumcarbide een breed scala aan toepassingen bij de vervaardiging van mechanische onderdelen, zoals hogesnelheidssnijgereedschappen, lagers, mechanische afdichtingen, enz., die de slijtage aanzienlijk kunnen verbeteren weerstand en levensduur van de onderdelen.

Nanocomposiet materialen: 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 de lucht- en ruimtevaart, de auto-industrie, het energieveld, enz.

Structurele materialen voor hoge temperaturen: Nanosiliciumcarbideheeft uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen en corrosieweerstand, en kan worden gebruikt in omgevingen met extreem hoge temperaturen. Daarom wordt het gebruikt als structureel materiaal voor hoge temperaturen in de lucht- en ruimtevaart, petrochemie, metallurgie en andere gebieden, zoals productieovens op hoge temperatuur, oven buizen, ovenbekledingen, enz.

Andere toepassingen: Nano-siliciumcarbide wordt ook gebruikt bij waterstofopslag, fotokatalyse en detectie, wat brede toepassingsmogelijkheden biedt.