Siliziumkarbid-Nanomaterialien

Siliziumkarbid-Nanomaterialien

Siliziumkarbid-Nanomaterialien (SiC-Nanomaterialien) beziehen sich auf Materialien, die aus bestehenSiliziumkarbid (SiC)mit mindestens einer Dimension im Nanometerbereich (normalerweise definiert als 1–100 nm) im dreidimensionalen Raum. Siliziumkarbid-Nanomaterialien können entsprechend ihrer Struktur in nulldimensionale, eindimensionale, zweidimensionale und dreidimensionale Strukturen eingeteilt werden.

Nulldimensionale Nanostrukturensind Strukturen, deren Abmessungen alle im Nanometerbereich liegen und hauptsächlich feste Nanokristalle, hohle Nanokugeln, hohle Nanokäfige und Kern-Schale-Nanokugeln umfassen.

Eindimensionale Nanostrukturenbeziehen sich auf Strukturen, in denen zwei Dimensionen im dreidimensionalen Raum auf die Nanometerskala beschränkt sind. Diese Struktur hat viele Formen, darunter Nanodrähte (massives Zentrum), Nanoröhren (hohles Zentrum), Nanogürtel oder Nanogürtel (schmaler rechteckiger Querschnitt) und Nanoprismen (prismenförmiger Querschnitt). Diese Struktur ist aufgrund ihrer einzigartigen Anwendungen in der mesoskopischen Physik und der Herstellung nanoskaliger Geräte zum Schwerpunkt intensiver Forschung geworden. Beispielsweise können sich Träger in eindimensionalen Nanostrukturen nur in einer Richtung der Struktur ausbreiten (d. h. in der Längsrichtung des Nanodrahts oder der Nanoröhre) und können als Verbindungen und Schlüsselelemente in der Nanoelektronik verwendet werden.

Zweidimensionale Nanostrukturen, die auf der Nanoskala nur eine Dimension haben, normalerweise senkrecht zu ihrer Schichtebene, wie Nanoblätter, Nanoblätter, Nanoblätter und Nanokugeln, haben in letzter Zeit besondere Aufmerksamkeit erhalten, nicht nur für das grundlegende Verständnis ihres Wachstumsmechanismus, sondern auch für die Erforschung ihres Potenzials Anwendungen in Lichtemittern, Sensoren, Solarzellen usw.

Dreidimensionale Nanostrukturenwerden üblicherweise als komplexe Nanostrukturen bezeichnet, die aus einer Ansammlung einer oder mehrerer grundlegender Struktureinheiten in nulldimensionaler, eindimensionaler und zweidimensionaler Form (z. B. Nanodrähte oder Nanostäbe, die durch Einkristallverbindungen verbunden sind) und ihren geometrischen Gesamtabmessungen bestehen liegen im Nanometer- oder Mikrometerbereich. Solche komplexen Nanostrukturen mit großer Oberfläche pro Volumeneinheit bieten viele Vorteile, wie z. B. lange optische Wege für effiziente Lichtabsorption, schnelle Ladungsübertragung an der Grenzfläche und einstellbare Ladungstransportfähigkeiten. Diese Vorteile ermöglichen es dreidimensionalen Nanostrukturen, das Design zukünftiger Anwendungen zur Energieumwandlung und -speicherung voranzutreiben. Von 0D- bis hin zu 3D-Strukturen wurde eine Vielzahl von Nanomaterialien untersucht und nach und nach in die Industrie und das tägliche Leben eingeführt.

Synthesemethoden für SiC-Nanomaterialien

Nulldimensionale Materialien können durch Heißschmelzverfahren, elektrochemische Ätzverfahren, Laserpyrolyseverfahren usw. synthetisiert werdenSiC massivNanokristalle haben eine Größe von einigen Nanometern bis zu mehreren zehn Nanometern, sind jedoch normalerweise pseudokugelförmig, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 TEM-Bilder von β-SiC-Nanokristallen, die mit verschiedenen Methoden hergestellt wurden

(a) Solvothermale Synthese[34]; (B) Elektrochemisches Ätzverfahren[35]; (c) thermische Verarbeitung[48]; (d) Laserpyrolyse[49]

Dasog et al. synthetisierten sphärische β-SiC-Nanokristalle mit kontrollierbarer Größe und klarer Struktur durch eine Festkörper-Doppelzersetzungsreaktion zwischen SiO2-, Mg- und C-Pulvern[55], wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 FESEM-Bilder von sphärischen SiC-Nanokristallen mit unterschiedlichen Durchmessern[55]

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

Dampfphasenverfahren zum Züchten von SiC-Nanodrähten. Die Gasphasensynthese ist die ausgereifteste Methode zur Bildung von SiC-Nanodrähten. In einem typischen Prozess werden dampfförmige Substanzen, die als Reaktanten zur Bildung des Endprodukts dienen, durch Verdampfung, chemische Reduktion und gasförmige Reaktion (die eine hohe Temperatur erfordert) erzeugt. Obwohl hohe Temperaturen den zusätzlichen Energieverbrauch erhöhen, weisen die mit dieser Methode gezüchteten SiC-Nanodrähte normalerweise eine hohe Kristallintegrität, klare Nanodrähte/Nanostäbe, Nanoprismen, Nanonadeln, Nanoröhren, Nanogürtel, Nanokabel usw. auf, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 Typische Morphologien eindimensionaler SiC-Nanostrukturen 

(a) Nanodraht-Arrays auf Kohlenstofffasern; (b) Ultralange Nanodrähte auf Ni-Si-Kugeln; (c) Nanodrähte; (d) Nanoprismen; (e) Nanobambus; (f) Nanonadeln; (g) Nanoknochen; (h) Nanoketten; (i) Nanoröhren

Lösungsverfahren zur Herstellung von SiC-Nanodrähten. Die Lösungsmethode wird zur Herstellung von SiC-Nanodrähten verwendet, wodurch die Reaktionstemperatur gesenkt wird. Das Verfahren kann das Kristallisieren eines Vorläufers in Lösungsphase durch spontane chemische Reduktion oder andere Reaktionen bei einer relativ milden Temperatur umfassen. Als Vertreter der Lösungsmethode wurden üblicherweise die Solvothermalsynthese und die Hydrothermalsynthese verwendet, um SiC-Nanodrähte bei niedrigen Temperaturen zu erhalten.

Zweidimensionale Nanomaterialien können durch solvothermale Methoden, gepulste Laser, thermische Kohlenstoffreduktion, mechanisches Peeling und mikrowellenplasmaverstärkte Verfahren hergestellt werdenCVD. Ho et al. realisierte eine 3D-SiC-Nanostruktur in Form einer Nanodrahtblume, wie in Abbildung 4 dargestellt. Das REM-Bild zeigt, dass die blütenartige Struktur einen Durchmesser von 1–2 μm und eine Länge von 3–5 μm hat.

Abbildung 4 REM-Aufnahme einer dreidimensionalen SiC-Nanodrahtblume

Leistung von SiC-Nanomaterialien

SiC-Nanomaterialien sind ein fortschrittliches Keramikmaterial mit hervorragender Leistung, das über gute physikalische, chemische, elektrische und andere Eigenschaften verfügt.

✔ Physikalische Eigenschaften

Hohe Härte: Die Mikrohärte von Nano-Siliziumkarbid liegt zwischen Korund und Diamant und seine mechanische Festigkeit ist höher als die von Korund. Es weist eine hohe Verschleißfestigkeit und eine gute Selbstschmierung auf.

Hohe Wärmeleitfähigkeit: Nano-Siliziumkarbid verfügt über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und ist ein hervorragend wärmeleitendes Material.

Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient: Dadurch behält Nano-Siliziumkarbid unter Hochtemperaturbedingungen eine stabile Größe und Form bei.

Hohe spezifische Oberfläche: Eines der Merkmale von Nanomaterialien ist, dass sie zur Verbesserung ihrer Oberflächenaktivität und Reaktionsleistung beiträgt.

✔ Chemische Eigenschaften

Chemische Stabilität: Nano-Siliziumkarbid hat stabile chemische Eigenschaften und kann seine Leistung unter verschiedenen Umgebungen unverändert beibehalten.

Antioxidation: Es kann der Oxidation bei hohen Temperaturen widerstehen und weist eine ausgezeichnete Hochtemperaturbeständigkeit auf.

✔Elektrische Eigenschaften

Hohe Bandlücke: Die große Bandlücke macht es zu einem idealen Material für die Herstellung elektronischer Hochfrequenz-, Hochleistungs- und Niedrigenergiegeräte.

Hohe Elektronensättigungsmobilität: Fördert die schnelle Übertragung von Elektronen.

✔Andere Eigenschaften

Starke Strahlungsbeständigkeit: Es kann eine stabile Leistung in einer Strahlungsumgebung aufrechterhalten.

Gute mechanische Eigenschaften: Es verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften wie einen hohen Elastizitätsmodul.

Anwendung von SiC-Nanomaterialien

Elektronik und Halbleitergeräte: Aufgrund seiner hervorragenden elektronischen Eigenschaften und Hochtemperaturstabilität wird Nano-Siliziumkarbid häufig in elektronischen Hochleistungskomponenten, Hochfrequenzgeräten, optoelektronischen Komponenten und anderen Bereichen eingesetzt. Gleichzeitig ist es auch eines der idealen Materialien für die Herstellung von Halbleiterbauelementen.

Optische Anwendungen: Nano-Siliziumkarbid hat eine große Bandlücke und hervorragende optische Eigenschaften und kann zur Herstellung von Hochleistungslasern, LEDs, Photovoltaikgeräten usw. verwendet werden.

Mechanische Teile: Aufgrund seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit bietet Nano-Siliziumkarbid ein breites Anwendungsspektrum bei der Herstellung mechanischer Teile wie Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge, Lager, Gleitringdichtungen usw., wodurch der Verschleiß erheblich verbessert werden kann Beständigkeit und Lebensdauer der Teile.

Nanokompositmaterialien: Nano-Siliziumkarbid kann mit anderen Materialien zu Nanokompositen kombiniert werden, um die mechanischen Eigenschaften, die Wärmeleitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Materials zu verbessern. Dieses Nanokompositmaterial wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, im Energiebereich usw. verwendet.

Hochtemperatur-Strukturmaterialien: NanoSiliziumkarbidverfügt über eine hervorragende Hochtemperaturstabilität und Korrosionsbeständigkeit und kann in Umgebungen mit extrem hohen Temperaturen eingesetzt werden. Daher wird es als Hochtemperatur-Strukturmaterial in der Luft- und Raumfahrt, der Petrochemie, der Metallurgie und anderen Bereichen wie der Fertigung eingesetztHochtemperaturöfen, Ofenrohre, Ofenauskleidungen usw.

Andere Anwendungen: Nano-Siliziumkarbid wird auch in der Wasserstoffspeicherung, Photokatalyse und Sensorik eingesetzt und bietet breite Anwendungsaussichten.