Vật liệu nano cacbua silicon

Vật liệu nano cacbua silicon

Vật liệu nano cacbua (vật liệu nano sic) đề cập đến các vật liệu bao gồmCarbide silicon (sic)với ít nhất một chiều trong thang đo nanomet (thường được xác định là 1-100nm) trong không gian ba chiều. Vật liệu nano cacbua silicon có thể được phân loại thành các cấu trúc không chiều, một chiều, hai chiều và ba chiều theo cấu trúc của chúng.

Cấu trúc nano không chiềulà các cấu trúc có tất cả các kích thước trên thang đo nanomet, chủ yếu bao gồm các tinh thể nano rắn, nano rỗng, nano rỗng và các ống nano vỏ lõi.

Cấu trúc nano một chiềuTham khảo các cấu trúc trong đó hai chiều được giới hạn trong thang đo nanomet trong không gian ba chiều. Cấu trúc này có nhiều dạng, bao gồm dây nano (trung tâm rắn), ống nano (trung tâm rỗng), nanobelts hoặc nanobelts (mặt cắt hình chữ nhật hẹp) và các nano (mặt cắt hình dạng Prism). Cấu trúc này đã trở thành trọng tâm của nghiên cứu chuyên sâu do các ứng dụng độc đáo của nó trong vật lý trung mô và sản xuất thiết bị nano. Ví dụ, các chất mang trong cấu trúc nano một chiều chỉ có thể lan truyền theo một hướng của cấu trúc (tức là, hướng dọc của dây nano hoặc ống nano) và có thể được sử dụng làm kết nối và thiết bị chính trong điện tử nano.

Cấu trúc nano hai chiều, chỉ có một chiều ở nano, thường vuông góc với mặt phẳng lớp của chúng, chẳng hạn như nanosheets, nanosheets, nanosheets và nanospheres, đã nhận được sự chú ý đặc biệt gần đây, không chỉ cho sự hiểu biết cơ bản về cơ chế tăng trưởng của chúng, mà còn để khám phá các ứng dụng tiềm năng của chúng trong các tế bào phát sáng, các tế bào.

Cấu trúc nano ba chiềuthường được gọi là cấu trúc nano phức tạp, được hình thành bởi một bộ sưu tập của một hoặc nhiều đơn vị cấu trúc cơ bản theo không, một chiều, một chiều và hai chiều (như dây nano hoặc nanorod được kết nối bởi các đường nối tinh thể đơn), và độ mờ hình học tổng thể của chúng trên quy mô Nanometer. Các cấu trúc nano phức tạp như vậy với diện tích bề mặt cao trên một đơn vị thể tích cung cấp nhiều lợi thế, chẳng hạn như các đường quang dài để hấp thụ ánh sáng hiệu quả, truyền điện tích giao tiếp nhanh và khả năng vận chuyển điện tích có thể điều chỉnh. Những lợi thế này cho phép các cấu trúc nano ba chiều thúc đẩy thiết kế trong các ứng dụng chuyển đổi và lưu trữ năng lượng trong tương lai. Từ các cấu trúc 0D đến 3D, một loạt các vật liệu nano đã được nghiên cứu và dần dần đưa vào công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.

Phương pháp tổng hợp vật liệu nano sic

Vật liệu bằng không có thể được tổng hợp bằng phương pháp nóng chảy, phương pháp khắc điện hóa, phương pháp nhiệt phân laser, v.v.Sic rắnCác tinh thể nano từ một vài nanomet đến hàng chục nanomet, nhưng thường là giả hình, như trong Hình 1.

Hình 1 Hình ảnh TEM của các tinh thể nano β-SIC được chuẩn bị bằng các phương pháp khác nhau

(a) Tổng hợp solvothermal [34]; (B) phương pháp khắc điện hóa [35]; (c) xử lý nhiệt [48]; (d) Phân vùng laser [49]

Dasog et al. Tổng hợp các tinh thể nano-SiC hình cầu với kích thước có thể điều khiển và cấu trúc rõ ràng bằng phản ứng phân hủy kép trạng thái rắn giữa các loại bột SiO2, Mg và C [55], như trong Hình 2.

Hình 2 Hình ảnh FESEM của các tinh thể nano sic hình cầu với đường kính khác nhau [55]

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

Phương pháp pha hơi để phát triển dây nano SIC. Tổng hợp pha khí là phương pháp trưởng thành nhất để hình thành các dây nano SIC. Trong một quá trình điển hình, các chất hơi được sử dụng làm chất phản ứng để tạo thành sản phẩm cuối cùng được tạo ra bằng cách bay hơi, khử hóa học và phản ứng khí (đòi hỏi nhiệt độ cao). Mặc dù nhiệt độ cao làm tăng mức tiêu thụ năng lượng bổ sung, các dây nano SiC được phát triển bằng phương pháp này thường có tính toàn vẹn tinh thể cao, nano/nano rõ ràng, nano, nanoneedles, ống nano, nanobelts, nanocables, v.v., như trong Hình 3.

Hình 3 Hình thái điển hình của cấu trúc nano SIC một chiều 

(a) Mảng dây nano trên sợi carbon; (b) dây nano siêu âm trên các quả bóng Ni-Si; (c) dây nano; (d) nano; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobones; (H) Nanochains; (i) ống nano

Phương pháp giải pháp để điều chế dây nano SIC. Phương pháp giải pháp được sử dụng để chuẩn bị dây nano SIC, làm giảm nhiệt độ phản ứng. Phương pháp này có thể bao gồm kết tinh tiền chất pha giải pháp thông qua giảm hóa chất tự phát hoặc các phản ứng khác ở nhiệt độ tương đối nhẹ. Là đại diện của phương pháp giải pháp, tổng hợp solvothermal và tổng hợp thủy nhiệt thường được sử dụng để thu được các dây nano SIC ở nhiệt độ thấp.

Vật liệu nano hai chiều có thể được điều chế bằng các phương pháp solvothermal, laser xung, giảm nhiệt carbon, tẩy da chết cơ học và tăng cường vi sóngCVD. Ho et al. Nhận ra một cấu trúc nano SIC 3D trong hình dạng của một bông hoa dây nano, như trong Hình 4. Hình ảnh SEM cho thấy cấu trúc giống như hoa có đường kính 1-2 μm và chiều dài 3-5 μm.

Hình 4 Hình ảnh SEM của một bông hoa nano sic ba chiều

Hiệu suất của vật liệu nano sic

Vật liệu nano SIC là một vật liệu gốm tiên tiến với hiệu suất tuyệt vời, có các tính chất vật lý, hóa học, điện và các tính chất khác.

✔ Tính chất vật lý

Độ cứng cao: Độ siêu nhỏ của cacbua nano-silicon nằm giữa corundum và kim cương, và cường độ cơ học của nó cao hơn so với corundum. Nó có khả năng chống mài mòn cao và tự bảo vệ tốt.

Độ dẫn nhiệt cao: cacbua nano-silicon có độ dẫn nhiệt tuyệt vời và là một vật liệu dẫn nhiệt tuyệt vời.

Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Điều này cho phép cacbua nano-silicon duy trì kích thước và hình dạng ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.

Diện tích bề mặt cụ thể cao: Một trong những đặc điểm của vật liệu nano, có lợi cho việc cải thiện hoạt động bề mặt và hiệu suất phản ứng của nó.

✔ Tính chất hóa học

Tính ổn định hóa học: Nano-silicon cacbua có tính chất hóa học ổn định và có thể duy trì hiệu suất của nó không thay đổi trong các môi trường khác nhau.

Chống oxy hóa: Nó có thể chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và thể hiện khả năng chống nhiệt độ cao tuyệt vời.

✔Tính chất điện

High Bandgap: Bandgap cao làm cho nó trở thành một vật liệu lý tưởng để tạo ra các thiết bị điện tử cao tần số cao, năng lượng cao và năng lượng thấp.

Tính di động bão hòa điện tử cao: Nó có lợi cho việc truyền các electron nhanh chóng.

✔Các đặc điểm khác

Điện trở bức xạ mạnh: Nó có thể duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường bức xạ.

Tính chất cơ học tốt: Nó có tính chất cơ học tuyệt vời như mô đun đàn hồi cao.

Áp dụng vật liệu nano sic

Thiết bị điện tử và chất bán dẫn: Do tính chất điện tử tuyệt vời và độ ổn định nhiệt độ cao, cacbua nano-silicon được sử dụng rộng rãi trong các thành phần điện tử công suất cao, các thiết bị tần số cao, các thành phần quang điện tử và các trường khác. Đồng thời, nó cũng là một trong những vật liệu lý tưởng để sản xuất các thiết bị bán dẫn.

Ứng dụng quang học: Nano-Silicon cacbua có dải rộng và tính chất quang học tuyệt vời, và có thể được sử dụng để sản xuất laser hiệu suất cao, đèn LED, thiết bị quang điện, v.v.

Các bộ phận cơ học: Tận dụng độ cứng và khả năng chống mài mòn cao, cacbua nano-silicon có một loạt các ứng dụng trong sản xuất các bộ phận cơ học, chẳng hạn như dụng cụ cắt tốc độ cao, vòng bi, con dấu cơ học, v.v., có thể cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và tuổi thọ của các bộ phận.

Vật liệu nanocompozit: Cacbua nano-silicon có thể được kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành nanocomposite để cải thiện tính chất cơ học, độ dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Vật liệu nanocompozit này được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, lĩnh vực năng lượng, v.v.

Vật liệu cấu trúc nhiệt độ cao: NanoCarbide siliconCó độ ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn, và có thể được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao. Do đó, nó được sử dụng làm vật liệu cấu trúc nhiệt độ cao trong hàng không vũ trụ, hóa dầu, luyện kim và các lĩnh vực khác, chẳng hạn như sản xuấtLò nhiệt độ cao, ống lò, lớp lót lò, v.v.

Các ứng dụng khác: Nanosilicon cacbua cũng được sử dụng trong lưu trữ hydro, quang hóa và cảm biến, cho thấy triển vọng ứng dụng rộng.