Nanomateriali in carburo di silicio

Nanomateriali in carburo di silicio

I nanomateriali in carburo di silicio (nanomateriali SIC) si riferiscono a materiali composti dasilicio carburo (sic)con almeno una dimensione nella scala del nanometro (solitamente definita come 1-100 nm) nello spazio tridimensionale. I nanomateriali in carburo di silicio possono essere classificati in strutture zero-dimensionali, unidimensionali, bidimensionali e tridimensionali in base alla loro struttura.

Nanostrutture zero-dimensionalisono strutture le cui tutte le dimensioni sono sulla scala dei nanometri, principalmente tra cui nanocristalli solidi, nanosfere cave, nanocagi cavi e nanosfere di guscio centrale.

Nanostrutture monodimensionaliFare riferimento a strutture in cui due dimensioni sono limitate alla scala del nanometro nello spazio tridimensionale. Questa struttura ha molte forme, tra cui nanofili (centro solido), nanotubi (centro vuoto), nanobelti o nanobelti (sezione rettangolare stretta) e nanoprismi (sezione trasversale a forma di prisma). Questa struttura è diventata al centro della ricerca intensiva grazie alle sue applicazioni uniche nella fisica mesoscopica e nella produzione di dispositivi a nanoscala. Ad esempio, i vettori in nanostrutture monodimensionali possono propagare solo in una direzione della struttura (cioè la direzione longitudinale del nanofilo o del nanotubo) e possono essere usati come interconnessioni e dispositivi chiave nella nanoelettronica.

Nanostrutture bidimensionali, che hanno una sola dimensione in nanoscala, di solito perpendicolare al loro piano di strato, come nanosheets, nanosheets, nanosheet e nanosfere, hanno recentemente ricevuto particolare attenzione, non solo per la comprensione di base del loro meccanismo di crescita, ma anche per l'esplorazione delle loro potenziali applicazioni in emittenti di luce, sensori, celle solari, ecc.

Nanostrutture tridimensionalisono generalmente chiamati nanostrutture complesse, che sono formate da una raccolta di una o più unità strutturali di base in zero-dimensionali, monodimensionali e bidimensionali (come nanofili o nanorodi collegati da giunzioni a cristalli singoli) e le dimensioni geometriche complessive sono sulla scala del nanometro o del micrometro. Tali nanostrutture complesse con superficie elevata per unità di volume offrono molti vantaggi, come percorsi ottici lunghi per un efficiente assorbimento della luce, trasferimento di carica interfacciale rapida e capacità di trasporto di carica sintonizzabili. Questi vantaggi consentono alle nanostrutture tridimensionali di far avanzare la progettazione nelle future applicazioni di conversione e stoccaggio. Dalle strutture 0D a 3D, un'ampia varietà di nanomateriali è stata studiata e introdotta gradualmente nell'industria e nella vita quotidiana.

Metodi di sintesi dei nanomateriali SIC

I materiali zero-dimensionali possono essere sintetizzati con il metodo a caldo, il metodo di incisione elettrochimica, il metodo della pirolisi laser, ecc.Sic solidoNanocristalli che vanno da alcuni nanometri a decine di nanometri, ma di solito sono pseudo-sferici, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 Immagini TEM di nanocristalli β-SIC preparati con metodi diversi

(a) Sintesi solvotermica [34]; (B) metodo di incisione elettrochimica [35]; (c) elaborazione termica [48]; (d) pirolisi laser [49]

Dasog et al. Nanocristalli β-SIC sferici sintetizzati con dimensioni controllabili e struttura chiara mediante reazione a doppia decomposizione a stato solido tra polveri SIO2, Mg e C [55], come mostrato nella Figura 2.

Figura 2 Immagini Fesem di nanocristalli SIC sferici con diametri diversi [55]

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

Metodo della fase vapore per la coltivazione di nanofili SIC. La sintesi della fase gassosa è il metodo più maturo per formare nanofili SIC. In un processo tipico, le sostanze di vapore utilizzate come reagenti per formare il prodotto finale sono generate per evaporazione, riduzione chimica e reazione gassosa (che richiedono alta temperatura). Sebbene l'alta temperatura aumenti il ​​consumo di energia aggiuntivo, i nanofili SIC coltivati ​​con questo metodo di solito hanno un'elevata integrità cristallina, nanofili/nanorodi chiari, nanoprismi, nanoneedles, nanotubi, nanobelte, nanocabili, ecc., Come mostrato nella Figura 3.

Figura 3 morfologie tipiche di nanostrutture SIC monodimensionali 

(a) array di nanofili su fibre di carbonio; (b) nanofili ultralong su palle ni-si; (c) nanofili; (d) nanoprismi; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanoboni; (H) nanochain; (i) Nanotubi

Metodo della soluzione per la preparazione di nanofili SIC. Il metodo della soluzione viene utilizzato per preparare nanofili SIC, che riduce la temperatura di reazione. Il metodo può includere cristallizzazione di un precursore della fase di soluzione attraverso una riduzione chimica spontanea o altre reazioni a una temperatura relativamente lieve. Come rappresentanti del metodo della soluzione, la sintesi solvotermica e la sintesi idrotermale sono stati comunemente usati per ottenere nanofili SIC a basse temperature.

I nanomateriali bidimensionali possono essere preparati con metodi solvotermici, laser pulsati, riduzione termica del carbonio, esfoliazione meccanica e plasma a microonde miglioratoCVD. Ho et al. ha realizzato una nanostruttura SIC 3D a forma di fiore di nanofilo, come mostrato nella Figura 4. L'immagine SEM mostra che la struttura simile a un fiore ha un diametro di 1-2 μm e una lunghezza di 3-5 μm.

Figura 4 Immagine SEM di un fiore di nanofilo SiC tridimensionale

Performance di nanomateriali SIC

I nanomateriali SIC sono un materiale ceramico avanzato con prestazioni eccellenti, che presenta buone proprietà fisiche, chimiche, elettriche e di altro tipo.

✔ Proprietà fisiche

Elevata durezza: la microdurezza del carburo di nano-silicio è tra corindum e diamante e la sua resistenza meccanica è superiore a quella del corindone. Ha un'elevata resistenza all'usura e una buona auto-lubrificazione.

Alta conducibilità termica: il carburo di nano-silicio ha un'eccellente conduttività termica ed è un eccellente materiale conduttivo termico.

Ai bassa coefficiente di espansione termica: ciò consente al carburo di nano-silicio di mantenere una dimensione e una forma stabili in condizioni di alta temperatura.

Elevata superficie specifica: una delle caratteristiche dei nanomateriali, è favorevole a migliorare l'attività superficiale e le prestazioni di reazione.

✔ Proprietà chimiche

Stabilità chimica: il carburo di nano-silicio ha proprietà chimiche stabili e può mantenere le sue prestazioni invariate in vari ambienti.

Antiossidazione: può resistere all'ossidazione ad alte temperature e presenta un'eccellente resistenza ad alta temperatura.

✔Proprietà elettriche

Band Gap elevato: l'alto gap di band lo rende un materiale ideale per produrre dispositivi elettronici ad alta frequenza, ad alta potenza e a bassa energia.

Elevata mobilità della saturazione elettronica: è favorevole alla rapida trasmissione di elettroni.

✔Altre caratteristiche

Forte resistenza alle radiazioni: può mantenere prestazioni stabili in un ambiente di radiazione.

Buone proprietà meccaniche: ha eccellenti proprietà meccaniche come il modulo elastico elevato.

Applicazione di nanomateriali sic

Dispositivi elettronici e semiconduttori: Grazie alle sue eccellenti proprietà elettroniche e alla stabilità ad alta temperatura, il carburo di nano-silicio è ampiamente utilizzato in componenti elettronici ad alta potenza, dispositivi ad alta frequenza, componenti optoelettronici e altri campi. Allo stesso tempo, è anche uno dei materiali ideali per la produzione di dispositivi a semiconduttore.

Applicazioni ottiche: Il carburo di nano-silicio ha un ampio gap di banda e eccellenti proprietà ottiche e può essere utilizzato per produrre laser ad alte prestazioni, LED, dispositivi fotovoltaici, ecc.

Parti meccaniche: Sfruttando la sua elevata durezza e resistenza all'usura, il carburo di nano-silicio ha una vasta gamma di applicazioni nella produzione di parti meccaniche, come utensili da taglio ad alta velocità, cuscinetti, guarnizioni meccaniche, ecc., Che possono migliorare notevolmente la resistenza all'usura e la durata di servizio delle parti.

Materiali nanocompositi: Il carburo di nano-silicio può essere combinato con altri materiali per formare nanocompositi per migliorare le proprietà meccaniche, la conduttività termica e la resistenza alla corrosione del materiale. Questo materiale nanocomposito è ampiamente utilizzato in aerospaziale, industria automobilistica, campo energetico, ecc.

Materiali strutturali ad alta temperatura: Nanocarburo di silicioha un'eccellente stabilità ad alta temperatura e resistenza alla corrosione e può essere utilizzato in ambienti estremi ad alta temperatura. Pertanto, viene utilizzato come materiale strutturale ad alta temperatura in campi aerospaziale, petrolchimico, metallurgia e altri campi, come la produzioneForni ad alta temperatura, Tubi di forno, fodere della fornace, ecc.

Altre applicazioni: Il carburo di silicio nano viene utilizzato anche nella conservazione dell'idrogeno, nella fotocatalisi e nel rilevamento, mostrando ampie prospettive di applicazione.