Наноматеріали кремнію

Наноматеріали кремнію

Наноматеріали карбіду кремнію (наноматеріали SIC) відносяться до матеріалів, що складаються зкарбід кремнію (sic)принаймні один вимір у шкалою нанометра (зазвичай визначається як 1-100 нм) у тривимірному просторі. Наноматеріали карбіду кремнію можна класифікувати на нульові, одновимірні, двовимірні та тривимірні структури відповідно до їх структури.

Наномірні наноструктури-це структури, всі розміри знаходяться на нанометровій шкалі, в основному включають тверді нанокристали, порожнисті наносфери, порожнисті нанокажів та наносфери ядра.

Одновимірні наноструктуриЗверніться до структур, в яких два виміри обмежені шкалою нанометра в тривимірному просторі. Ця структура має багато форм, включаючи нанопровідники (твердий центр), нанотрубки (порожнистий центр), нанобельти або нанобельти (вузький прямокутний поперечний переріз) та нанопризми (поперечний переріз прими). Ця структура стала в центрі уваги інтенсивних досліджень завдяки унікальному застосуванню в мезоскопічній фізиці та виробництві нанорозмірних пристроїв. Наприклад, носії в одновимірних наноструктурах можуть поширюватися лише в одному напрямку структури (тобто поздовжнього напрямку нановіру або нанотрубок) і можуть використовуватися як взаємозв'язки та ключові пристрої в наноелектроніці.

Двовимірні наноструктури, які мають лише один вимір на нанорозмірному масштабі, як правило, перпендикулярно до їх шару шару, таких як наношкіри, наношкіри, наносфери та наносфери, нещодавно привернули особливу увагу, не тільки для основного розуміння їх механізму росту, але й для вивчення їх потенційних застосувань у світлих випромінюваннях, датчиках, сонячних клітинах тощо.

Тривимірні наноструктуриЗазвичай називаються складними наноструктурами, які утворюються за допомогою колекції однієї або декількох основних структурних одиниць у нульових розмірних, одновимірних та двовимірних (таких як нанопроводи або нанороди, з'єднані одноразовими перехрестями), а їх загальні геометричні розміри знаходяться на нанорометрі або мікророметрі. Такі складні наноструктури з високою площею поверхні на одиницю об'єму забезпечують безліч переваг, таких як довгі оптичні шляхи для ефективного поглинання світла, швидкого передачі міжфазного заряду та налаштовані можливості транспортування заряду. Ці переваги дають можливість тривимірним наноструктурам просунути проектування в майбутніх додатках для перетворення та зберігання енергії. Від 0d до 3D -структур широкий спектр наноматеріалів було вивчено та поступово впроваджено в промисловість та повсякденне життя.

Методи синтезу наноматеріалів SIC

Нульвимірні матеріали можуть бути синтезовані методом гарячого розплаву, методом електрохімічного травлення, методом лазерного піролізу тощоSic суцільНанокристали, починаючи від кількох нанометрів до десятків нанометрів, але зазвичай є псевдо-сферичними, як показано на малюнку 1.

Фігура 1 ТЕМ зображень нанокристалів β-SIC, підготовлених різними методами

(a) сольвотермальний синтез [34]; (B) метод електрохімічного травлення [35]; (c) термічна обробка [48]; (d) лазерний піроліз [49]

Dasog та ін. Синтезовані сферичні β-сикові нанокристали з керованим розміром та чіткою структурою за допомогою твердотільної реакції подвійного розкладання між порошками SiO2, Mg та C [55], як показано на малюнку 2.

Малюнок 2 FESEM -зображення сферичних нанокристалів SIC з різними діаметром [55]

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

Метод парової фази для вирощування нанопроводів SIC. Синтез газової фази є найбільш зрілим методом утворення нанопровідників SIC. У типовому процесі парові речовини, що використовуються як реагенти для утворення кінцевого продукту, генеруються шляхом випаровування, хімічного відновлення та газоподібної реакції (потребують високої температури). Незважаючи на те, що висока температура збільшує додаткове споживання енергії, нанопровідники SIC, вирощені цим методом, зазвичай мають високу цілісність кристалів, прозорі нанопроводи/нанороди, нанопроми, нанонелі, нанотрубки, нанобельти, нанокацій тощо, як показано на малюнку 3.

Малюнок 3 Типові морфології одновимірних наноструктур SIC 

(a) нановіїні масиви на вуглецевих волокнах; (b) ультра-нанопроводи на кульках Ni-Si; (c) нанопроводи; (d) нанопроми; (E) нанобамбу; (f) нанонелі; (g) нанобони; (H) нанохейни; (i) нанотрубки

Метод розчину для приготування нанопроводів SIC. Метод розчину використовується для приготування нанопроводів SIC, що знижує температуру реакції. Метод може включати кристалізацію попередника фази розчину через спонтанне хімічне відновлення або інші реакції при відносно легкій температурі. Як представники методу розчину, сольвотермальний синтез та гідротермальний синтез зазвичай використовуються для отримання нанопроводів SIC при низьких температурах.

Двовимірні наноматеріали можна готувати за допомогою сольвотермальних методів, імпульсних лазерів, відновлення термічного вуглецю, механічного відлущування та підвищення мікрохвильової плазмиCVD. Хо та ін. Реалізував 3D-наноструктуру SIC у формі квітки нановіру, як показано на малюнку 4. На зображенні SEM показано, що структура, що нагадує квітку, має діаметр 1-2 мкм і довжину 3-5 мкм.

Малюнок 4 Сем зображення тривимірної квітки Nanowire SIC

Продуктивність наноматеріалів SIC

Наноматеріали SIC - це вдосконалений керамічний матеріал з відмінною продуктивністю, який має хороші фізичні, хімічні, електричні та інші властивості.

✔ Фізичні властивості

Висока твердість: Мікрохардість нано-сіліконового карбіду знаходиться між корундумом та алмазом, а його механічна міцність вища, ніж у Corundum. Він має високу стійкість до зносу та гарне самостійне змащування.

Висока теплопровідність: карбід з нано-силікону має чудову теплопровідність і є чудовим теплопровідним матеріалом.

Низький коефіцієнт теплового розширення: Це дозволяє карбіду нано-силікону підтримувати стабільний розмір і форму в умовах високої температури.

Висока специфічна площа поверхні: одна з характеристик наноматеріалів, вона сприяє покращенню його поверхневої активності та продуктивності реакції.

✔ Хімічні властивості

Хімічна стабільність: Nano-Silicon Carbide має стабільні хімічні властивості і може підтримувати свою продуктивність без змін у різних середовищах.

Антиоксидування: воно може протистояти окисленню при високих температурах і виявляє відмінну високу температуру.

✔Електричні властивості

Висока смуга: Висока смуга робить його ідеальним матеріалом для виготовлення високочастотних, високих потужних та низькоенергетичних електронних пристроїв.

Висока рухливість насичення електронів: вона сприяє швидкій передачі електронів.

✔Інші характеристики

Сильна радіаційна стійкість: вона може підтримувати стабільні показники в радіаційному середовищі.

Хороші механічні властивості: він має чудові механічні властивості, такі як модуль високої пружності.

Застосування наноматеріалів SIC

Електроніка та напівпровідникові пристрої: Завдяки чудовим електронним властивостям та високотемпературній стабільності, карбід нано-силіконового карбіду широко використовується в електронних компонентах високої потужності, високочастотних пристроях, оптоелектронних компонентах та інших полях. У той же час, це також один із ідеальних матеріалів для виготовлення напівпровідникових пристроїв.

Оптичні програми: Nano-Silicon Carbide має широку смугу та відмінні оптичні властивості, і його можна використовувати для виготовлення високопродуктивних лазерів, світлодіодів, фотоелектричних пристроїв тощо.

Механічні частини: Скориставшись його високою твердістю та стійкістю до зносу, карбід нано-силіконового карбіду має широкий спектр застосувань у виробництві механічних деталей, таких як високошвидкісні ріжучі інструменти, підшипники, механічні ущільнювачі тощо, які можуть значно покращити стійкість до зносу та термін експлуатації деталей.

Нанокомпозитні матеріали: Карбід нано-силікону можна поєднувати з іншими матеріалами для утворення нанокомпозитів для поліпшення механічних властивостей, теплопровідності та корозійної стійкості матеріалу. Цей нанокомпозитний матеріал широко використовується в аерокосмічній, автомобільній промисловості, енергетичному полі тощо.

Структурні матеріали високої температури: Нанокарбід кремніюмає чудову високу температуру та стійкість до корозії, і їх можна використовувати в екстремальних середовищах високої температури. Тому він використовується як високотемпературний структурний матеріал в аерокосмічній, нафтохімічній, металургії та інших галузях, таких як виробництвоПечі з високою температурою, печі, Печі тощо.

Інші програми: Карбід Nano Silicon також використовується для зберігання водню, фотокаталізу та зондуванні, показуючи широкі перспективи застосування.