Кремний карбидінің наноматериалдары

Кремний карбидінің наноматериалдары

Кремний карбидінің наноматериалдары (SiC наноматериалдары) мыналардан тұратын материалдарға жатады.кремний карбиді (SiC)үш өлшемді кеңістікте нанометрлік масштабта (әдетте 1-100 нм ретінде анықталады) кем дегенде бір өлшеммен. Кремний карбидті наноматериалдарды құрылымына қарай нөлдік, бір өлшемді, екі өлшемді және үш өлшемді құрылымдарға жіктеуге болады.

Нөлдік өлшемді наноқұрылымдарбарлық өлшемдері нанометрлік масштабта болатын құрылымдар, оның ішінде негізінен қатты нанокристалдар, қуыс наносфералар, қуыс нанокаждар және ядро-қабық наносфералар.

Бір өлшемді наноқұрылымдарүш өлшемді кеңістікте екі өлшем нанометрлік шкаламен шектелген құрылымдарға сілтеме жасаңыз. Бұл құрылымның көптеген формалары бар, соның ішінде наноөткізгіштер (қатты орталық), нанотүтіктер (қуыс орталық), нанобелдіктер немесе нанобелдіктер (тар тікбұрышты көлденең қима) және нанопризмдер (призма тәрізді көлденең қима). Бұл құрылым мезоскопиялық физикада және наноөлшемді құрылғылар өндірісінде бірегей қолданбалы мүмкіндіктеріне байланысты қарқынды зерттеулердің орталығына айналды. Мысалы, бір өлшемді наноқұрылымдардағы тасымалдаушылар құрылымның бір бағыты бойынша ғана тарай алады (яғни, наноөткізімнің немесе нанотүтіктің бойлық бағыты) және наноэлектроникада өзара байланыстар мен негізгі құрылғылар ретінде пайдаланылуы мүмкін.

Екі өлшемді наноқұрылымдарНаносөлшемде бір ғана өлшемі бар, әдетте олардың қабат жазықтығына перпендикуляр, мысалы, нанопарақтар, нанопарақтар, нанопарақтар және наносфералар соңғы уақытта олардың өсу механизмін негізгі түсіну үшін ғана емес, сонымен қатар олардың әлеуетін зерттеу үшін де ерекше назар аударды. жарық шығарғыштарда, сенсорларда, күн батареяларында және т.б.

Үш өлшемді наноқұрылымдарәдетте бір немесе бірнеше негізгі құрылымдық бірліктердің нөлдік, бір өлшемді және екі өлшемді (мысалы, бір кристалды түйіспелер арқылы қосылған наносымдар немесе наношоғырлар) жиынтығынан құралатын күрделі наноқұрылымдар деп аталады және олардың жалпы геометриялық өлшемдері нанометр немесе микрометр шкаласында болады. Бірлік көлемдегі бетінің ауданы жоғары мұндай күрделі наноқұрылымдар тиімді жарық сіңіру үшін ұзақ оптикалық жолдар, жылдам фазааралық зарядты тасымалдау және реттелетін зарядты тасымалдау мүмкіндіктері сияқты көптеген артықшылықтарды қамтамасыз етеді. Бұл артықшылықтар үш өлшемді наноқұрылымдарға болашақ энергияны түрлендіру және сақтау қолданбаларында дизайнды жақсартуға мүмкіндік береді. 0D-ден 3D құрылымдарына дейін наноматериалдардың алуан түрлілігі зерттеліп, біртіндеп өнеркәсіп пен күнделікті өмірге енгізілді.

SiC наноматериалдарын синтездеу әдістері

Нөлдік өлшемді материалдарды ыстық балқыту әдісімен, электрохимиялық ою әдісімен, лазерлік пиролиз әдісімен және т.б. алу үшін синтездеуге болады.SiC қаттыбірнеше нанометрден ондаған нанометрге дейінгі диапазондағы нанокристалдар, бірақ әдетте 1-суретте көрсетілгендей псевдосфералық болады.

1-сурет Әртүрлі әдістермен дайындалған β-SiC нанокристалдарының TEM кескіндері

а) Солвотермиялық синтез[34]; (B) Электрохимиялық ою әдісі[35]; (c) термиялық өңдеу[48]; (d) лазерлік пиролиз[49]

Dasog және т.б. 2-суретте көрсетілгендей SiO2, Mg және C ұнтақтары[55] арасындағы қатты күйдегі қос ыдырау реакциясы арқылы бақыланатын өлшемі және анық құрылымы бар сфералық β-SiC нанокристалдары синтезделген.

2-сурет Әртүрлі диаметрлі сфералық SiC нанокристалдарының FESEM кескіндері[55]

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

SiC нано сымдарын өсірудің бу фазалық әдісі. Газ фазасының синтезі SiC нано сымдарын қалыптастырудың ең жетілген әдісі болып табылады. Әдеттегі процесте соңғы өнімді қалыптастыру үшін реагент ретінде пайдаланылатын бу заттары булану, химиялық қалпына келтіру және газ тәрізді реакция (жоғары температура қажет) арқылы түзіледі. Жоғары температура қосымша энергия тұтынуды арттырса да, бұл әдіспен өсірілген SiC наноөткізгіштері әдетте 3-суретте көрсетілгендей жоғары кристалдық тұтастыққа, мөлдір наноөткізгіштерге/нанотеректерге, нанопризмдерге, нанотүтіктерге, нанотүтіктерге, нанобелдіктерге, наноөткізгіштерге және т.б.

Сурет 3 Бір өлшемді SiC наноқұрылымдарының типтік морфологиялары 

(а) көміртекті талшықтардағы нано сымдар массивтері; (b) Ni-Si шарларындағы өте ұзын наноөткізгіштер; (c) нано сымдар; (d) нанопризмдер; (е) нанобамбук; (f) нанодельдер; (g) нано сүйектер; (h) нано тізбектер; (i) Нанотүтіктер

SiC нано сымдарын дайындау үшін ерітінді әдісі. Ерітінді әдісі реакция температурасын төмендететін SiC нано сымдарын дайындау үшін қолданылады. Бұл әдіс салыстырмалы түрде жұмсақ температурада өздігінен химиялық қалпына келтіру немесе басқа реакциялар арқылы ерітінді фазасының прекурсорын кристалдануды қамтуы мүмкін. Ерітінді әдісінің өкілдері ретінде төменгі температурада SiC нано сымдарын алу үшін әдетте солвотермиялық синтез және гидротермиялық синтез қолданылады.

Екі өлшемді наноматериалдарды солвотермиялық әдістермен, импульстік лазерлермен, көміртекті термиялық қалпына келтірумен, механикалық қабыршақтанумен және жақсартылған микротолқынды плазмамен дайындауға болады.CVD. Хо және т.б. 4-суретте көрсетілгендей нано сым гүлінің пішініндегі 3D SiC наноқұрылымын жүзеге асырды. SEM кескіні гүл тәрізді құрылымның диаметрі 1-2 мкм және ұзындығы 3-5 мкм болатынын көрсетеді.

4-сурет үш өлшемді SiC нано сым гүлінің SEM кескіні

SiC наноматериалдарының өнімділігі

SiC наноматериалдары жақсы физикалық, химиялық, электрлік және басқа да қасиеттері бар тамаша өнімділігі бар жетілдірілген керамикалық материал болып табылады.

✔ Физикалық қасиеттері

Жоғары қаттылық: нано-кремний карбидінің микроқаттылығы корунд пен алмас арасында, ал оның механикалық беріктігі корундқа қарағанда жоғары. Оның тозуға төзімділігі жоғары және өзін-өзі майлауы жақсы.

Жоғары жылу өткізгіштік: нано-кремний карбиді тамаша жылу өткізгіштікке ие және тамаша жылу өткізгіш материал болып табылады.

Төмен термиялық кеңею коэффициенті: Бұл нано-кремний карбидіне жоғары температура жағдайында тұрақты өлшем мен пішінді сақтауға мүмкіндік береді.

Жоғары меншікті бет ауданы: наноматериалдардың сипаттамаларының бірі, оның беттік белсенділігі мен реакция өнімділігін жақсартуға ықпал етеді.

✔ Химиялық қасиеттері

Химиялық тұрақтылық: нано-кремний карбидінің тұрақты химиялық қасиеттері бар және әртүрлі орталарда өзінің өнімділігін өзгеріссіз сақтай алады.

Антиоксидант: ол жоғары температурада тотығуға қарсы тұра алады және жоғары температураға тамаша төзімділік көрсетеді.

✔Электрлік қасиеттері

Жоғары жолақ аралық: жоғары өткізу жолағы оны жоғары жиілікті, жоғары қуатты және төмен энергиялы электрондық құрылғыларды жасау үшін тамаша материал етеді.

Электрондардың қанықтылығының жоғары қозғалғыштығы: электрондардың жылдам берілуіне қолайлы.

✔Басқа сипаттамалар

Күшті радиацияға төзімділік: Ол радиациялық ортада тұрақты өнімділікті сақтай алады.

Жақсы механикалық қасиеттер: Ол жоғары серпімділік модулі сияқты тамаша механикалық қасиеттерге ие.

SiC наноматериалдарын қолдану

Электроника және жартылай өткізгіш құрылғылар: Тамаша электронды қасиеттері мен жоғары температура тұрақтылығының арқасында нано-кремний карбиді жоғары қуатты электронды компоненттерде, жоғары жиілікті құрылғыларда, оптоэлектрондық компоненттерде және басқа салаларда кеңінен қолданылады. Сонымен қатар, ол жартылай өткізгіш құрылғыларды өндіруге арналған тамаша материалдардың бірі болып табылады.

Оптикалық қолданбалар: Нано-кремний карбиді кең диапазонға және тамаша оптикалық қасиеттерге ие және жоғары өнімді лазерлерді, жарықдиодты шамдарды, фотоэлектрлік құрылғыларды және т.б. өндіру үшін пайдаланылуы мүмкін.

Механикалық бөлшектер: Өзінің жоғары қаттылығы мен тозуға төзімділігін пайдалана отырып, нано-кремний карбиді механикалық бөлшектерді өндіруде кең ауқымды қолданбаларға ие, мысалы, жоғары жылдамдықты кескіш құралдар, мойынтіректер, механикалық тығыздағыштар және т.б., бұл тозуды айтарлықтай жақсарта алады. бөлшектердің кедергісі және қызмет ету мерзімі.

Нанокомпозиттік материалдар: Нано-кремний карбидін басқа материалдармен біріктіріп, материалдың механикалық қасиеттерін, жылу өткізгіштігін және коррозияға төзімділігін жақсарту үшін нанокомпозиттер жасауға болады. Бұл нанокомпозиттік материал аэроғарышта, автомобиль өнеркәсібінде, энергетика саласында және т.б. кеңінен қолданылады.

Жоғары температурадағы құрылымдық материалдар: Нанокремний карбидітамаша жоғары температура тұрақтылығы мен коррозияға төзімділігі бар және төтенше жоғары температуралық ортада пайдалануға болады. Сондықтан ол аэроғарыш, мұнай-химия, металлургия және өндіріс сияқты басқа салаларда жоғары температуралық құрылымдық материал ретінде пайдаланылады.жоғары температуралы пештер, пеш түтіктері, пештің қаптамалары және т.б.

Басқа қолданбалар: Нано кремний карбиді де сутегі сақтауда, фотокатализде және зондауда қолданылады, бұл кең қолдану перспективаларын көрсетеді.