Nanomateriales de carburo de silicio

Nanomateriales de carburo de silicio

Nanomateriales de carburo de silicio (nanomateriales sic) consulte materiales compuestos decarburo de silicio (sic)con al menos una dimensión en la escala nanómetro (generalmente definida como 1-100 nm) en el espacio tridimensional. Los nanomateriales de carburo de silicio se pueden clasificar en estructuras de dimensiones cero, unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales de acuerdo con su estructura.

Nanoestructuras de dimensión ceroson estructuras cuyas todas las dimensiones están en la escala nanómetro, principalmente que incluyen nanocristales sólidos, nanoesferas huecas, nanocages huecos y nanoesferas de núcleo-cáscara.

Nanoestructuras unidimensionalesConsulte las estructuras en las que dos dimensiones se limitan a la escala nanómetro en el espacio tridimensional. Esta estructura tiene muchas formas, incluidos los nanocables (centro sólido), nanotubos (centro hueco), nanobelts o nanobelts (sección transversal rectangular estrecha) y nanoprismos (sección transversal en forma de prisma). Esta estructura se ha convertido en el foco de una investigación intensiva debido a sus aplicaciones únicas en la física mesoscópica y la fabricación de dispositivos a nanoescala. Por ejemplo, los portadores en nanoestructuras unidimensionales solo pueden propagarse en una dirección de la estructura (es decir, la dirección longitudinal del nanocable o nanotubo), y puede usarse como interconexiones y dispositivos clave en nanoelectrónica.

Nanoestructuras bidimensionales, que solo tienen una dimensión a nanoescala, generalmente perpendicular a su plano de capa, como nanohojas, nanohojas, nanohojas y nanoesferas, han recibido atención especial recientemente, no solo para la comprensión básica de su mecanismo de crecimiento, sino también por explorar sus aplicaciones potenciales en emisores de luz, sensores, células solares, etc. etc.

Nanoestructuras tridimensionalesPor lo general, se llaman nanoestructuras complejas, que están formadas por una colección de una o más unidades estructurales básicas en cero dimensiones, unidimensionales y bidimensionales (como nanocables o nanorods conectados por un solo cristal de cristales), y sus dimensiones geométricas generales están en la escala de nanómetro o micrómetro. Dichas nanoestructuras complejas con alta superficie de superficie por unidad de volumen proporcionan muchas ventajas, como largas rutas ópticas para una absorción de luz eficiente, transferencia de carga interfacial rápida y capacidades de transporte de carga sintonizable. Estas ventajas permiten nanoestructuras tridimensionales para avanzar en el diseño en futuras aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía. Desde estructuras 0D a 3D, se ha estudiado y se han introducido gradualmente una amplia variedad de nanomateriales en la industria y la vida diaria.

Métodos de síntesis de nanomateriales SIC

Los materiales de dimensión cero se pueden sintetizar mediante el método de fusión en caliente, el método de grabado electroquímico, el método de pirólisis láser, etc. para obtenerSic sólidoLos nanocristales que van desde unos pocos nanómetros hasta decenas de nanómetros, pero generalmente son pseudoféricos, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Imágenes TEM de nanocristales β-SIC preparados por diferentes métodos

(a) síntesis solvotérmica [34]; (B) método de grabado electroquímico [35]; (c) procesamiento térmico [48]; (d) Pirólisis láser [49]

Dasog et al. Los nanocristales β-SIC esféricos sintetizados con un tamaño controlable y una estructura clara por reacción de doble descomposición en estado sólido entre los polvos SiO2, Mg y C [55], como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Imágenes FESEM de nanocristales esféricos de SIC con diferentes diámetros [55]

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

Método de fase de vapor para cultivar nanocables SIC. La síntesis de fase gaseosa es el método más maduro para formar nanocables SIC. En un proceso típico, las sustancias de vapor utilizadas como reactivos para formar el producto final se generan por evaporación, reducción química y reacción gaseosa (que requiere alta temperatura). Aunque la alta temperatura aumenta el consumo de energía adicional, los nanocables SIC cultivados por este método generalmente tienen una alta integridad de cristal, nanocables/nanorods, nanoprismos, nanoneedles, nanotubos, nanobelts, nanocables, etc., como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Morfologías típicas de nanoestructuras SIC unidimensionales 

(a) matrices de nanocables en fibras de carbono; (b) ultralong nanocables en bolas de ni si; (c) nanocables; (d) nanoprismos; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobones; (H) nanoociones; (i) nanotubos

Método de solución para la preparación de nanocables SIC. El método de solución se utiliza para preparar nanocables SIC, lo que reduce la temperatura de reacción. El método puede incluir cristalizar un precursor de fase de solución a través de una reducción química espontánea u otras reacciones a una temperatura relativamente suave. Como representantes del método de solución, la síntesis solvotérmica y la síntesis hidrotérmica se han usado comúnmente para obtener nanocables SIC a bajas temperaturas.

Los nanomateriales bidimensionales se pueden preparar mediante métodos solvotérmicos, láseres pulsados, reducción térmica de carbono, exfoliación mecánica y plasma de microondas mejoradoCVD. Ho et al. realizó una nanoestructura SIC 3D en forma de flor de nanocable, como se muestra en la Figura 4. La imagen SEM muestra que la estructura similar a la flor tiene un diámetro de 1-2 μm y una longitud de 3-5 μm.

Figura 4 Imagen SEM de una flor de nanocable SIC tridimensional

Rendimiento de nanomateriales sic

Los nanomateriales SIC son un material cerámico avanzado con excelente rendimiento, que tiene buenas propiedades físicas, químicas, eléctricas y de otro tipo.

✔ Propiedades físicas

Alta dureza: la microdureza del carburo de nano-silicio es entre el corindón y el diamante, y su resistencia mecánica es mayor que la del corundón. Tiene alta resistencia al desgaste y una buena auto-lubricación.

Alta conductividad térmica: el carburo de nano-silicio tiene una excelente conductividad térmica y es un excelente material conductivo térmico.

Coeficiente de expansión térmica baja: esto permite que el carburo de nano-silicio mantenga un tamaño y forma estables en condiciones de alta temperatura.

Área de superficie específica alta: una de las características de los nanomateriales, es propicio para mejorar su actividad superficial y rendimiento de reacción.

✔ Propiedades químicas

Estabilidad química: el carburo de nano-silicio tiene propiedades químicas estables y puede mantener su rendimiento sin cambios en varios entornos.

Antioxidación: puede resistir la oxidación a altas temperaturas y exhibe una excelente resistencia a la temperatura.

✔Propiedades eléctricas

High BandGap: el alto BandGAP lo convierte en un material ideal para hacer dispositivos electrónicos de alta frecuencia, alta potencia y de baja energía.

Movilidad alta de saturación de electrones: es propicio para la rápida transmisión de electrones.

✔Otras características

Resistencia de radiación fuerte: puede mantener un rendimiento estable en un entorno de radiación.

Buenas propiedades mecánicas: tiene excelentes propiedades mecánicas, como el módulo elástico alto.

Aplicación de nanomateriales SIC

Dispositivos electrónicos y semiconductores: Debido a sus excelentes propiedades electrónicas y estabilidad de alta temperatura, el carburo de nano-silicio se usa ampliamente en componentes electrónicos de alta potencia, dispositivos de alta frecuencia, componentes optoelectrónicos y otros campos. Al mismo tiempo, también es uno de los materiales ideales para la fabricación de dispositivos de semiconductores.

Aplicaciones ópticas: Nano-Silicon Carbide tiene una banda de banda ancha y excelentes propiedades ópticas, y se puede utilizar para fabricar láseres, LED, dispositivos fotovoltaicos de alto rendimiento, etc.

Partes mecánicas: Aprovechando su alta dureza y resistencia al desgaste, el carburo de nano-silicio tiene una amplia gama de aplicaciones en la fabricación de piezas mecánicas, como herramientas de corte de alta velocidad, rodamientos, sellos mecánicos, etc., que pueden mejorar en gran medida la resistencia al desgaste y la vida útil de las partes.

Materiales nanocompuestos: El carburo de nano-silicio se puede combinar con otros materiales para formar nanocompuestos para mejorar las propiedades mecánicas, la conductividad térmica y la resistencia a la corrosión del material. Este material nanocompuesto se usa ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, el campo de energía, etc.

Materiales estructurales a alta temperatura: Nanocarburo de silicioTiene una excelente estabilidad de alta temperatura y resistencia a la corrosión, y puede usarse en entornos de alta temperatura extrema. Por lo tanto, se utiliza como material estructural de alta temperatura en campos aeroespaciales, petroquímicos, metalurgias y otros campos, como la fabricaciónhornos de alta temperatura, tubos de horno, revestimientos de horno, etc.

Otras aplicaciones: NanoSilicon El carburo también se usa en almacenamiento de hidrógeno, fotocatálisis y detección, que muestra amplias perspectivas de aplicación.