Silisyum karbür nanomalzemeleri

Silisyum karbür nanomalzemeleri

Silisyum karbür nanomalzemeleri (SiC nanomalzemeleri), aşağıdakilerden oluşan malzemeleri ifade eder:silisyum karbür (SiC)Üç boyutlu uzayda en az bir boyutu nanometre ölçeğinde (genellikle 1-100 nm olarak tanımlanır) olan. Silisyum karbür nanomalzemeleri yapılarına göre sıfır boyutlu, tek boyutlu, iki boyutlu ve üç boyutlu yapılara göre sınıflandırılabilir.

Sıfır boyutlu nanoyapılaresas olarak katı nanokristaller, içi boş nanoküreler, içi boş nanokafesler ve çekirdek-kabuk nanoküreleri içeren, tüm boyutları nanometre ölçeğinde olan yapılardır.

Tek boyutlu nanoyapılariki boyutun üç boyutlu uzayda nanometre ölçeğiyle sınırlı olduğu yapıları ifade eder. Bu yapının nanoteller (katı merkez), nanotüpler (içi boş merkez), nanokemerler veya nanokemerler (dar dikdörtgen kesit) ve nanoprizmalar (prizma şekilli kesit) dahil olmak üzere birçok formu vardır. Bu yapı, mezoskopik fizik ve nano ölçekli cihaz imalatındaki benzersiz uygulamaları nedeniyle yoğun araştırmaların odağı haline geldi. Örneğin, tek boyutlu nanoyapılardaki taşıyıcılar yapının yalnızca bir yönünde (yani nanotelin veya nanotüpün uzunlamasına yönünde) yayılabilir ve nanoelektronikte ara bağlantılar ve anahtar cihazlar olarak kullanılabilir.

İki boyutlu nanoyapılarNano ölçekte yalnızca tek bir boyuta sahip olan ve genellikle katman düzlemlerine dik olan nano tabakalar, nano tabakalar, nano tabakalar ve nano küreler gibi, son zamanlarda yalnızca büyüme mekanizmalarının temel anlayışı için değil, aynı zamanda potansiyellerini keşfetmeleri için de özel ilgi görmüştür. Işık yayıcılar, sensörler, güneş pilleri vb. uygulamalar.

Üç boyutlu nanoyapılarsıfır boyutlu, tek boyutlu ve iki boyutlu (tek kristal bağlantılarla birbirine bağlanan nanoteller veya nanoçubuklar gibi) bir veya daha fazla temel yapısal birimin toplanmasıyla oluşturulan karmaşık nanoyapılar ve genel geometrik boyutları genellikle karmaşık nanoyapılar olarak adlandırılır. nanometre veya mikrometre ölçeğindedir. Birim hacim başına yüksek yüzey alanına sahip bu tür karmaşık nanoyapılar, verimli ışık emilimi için uzun optik yollar, hızlı arayüzey yük aktarımı ve ayarlanabilir yük taşıma yetenekleri gibi birçok avantaj sağlar. Bu avantajlar, üç boyutlu nanoyapıların gelecekteki enerji dönüşümü ve depolama uygulamalarında tasarımı ilerletmesine olanak tanır. 0D'den 3D yapılara kadar çok çeşitli nanomalzemeler üzerinde çalışılmış ve yavaş yavaş endüstriye ve günlük hayata tanıtılmıştır.

SiC nanomalzemelerinin sentez yöntemleri

Sıfır boyutlu malzemeler sıcakta eriyen yöntem, elektrokimyasal aşındırma yöntemi, lazer piroliz yöntemi vb. yöntemlerle sentezlenerek elde edilebilir.SiC katıBirkaç nanometreden onlarca nanometreye kadar değişen nanokristaller, ancak Şekil 1'de gösterildiği gibi genellikle sözde küreseldir.

Şekil 1 Farklı yöntemlerle hazırlanan β-SiC nanokristallerinin TEM görüntüleri

(a) Solvotermal sentez[34]; (B) Elektrokimyasal aşındırma yöntemi[35]; (c) Isıl işlem[48]; (d) Lazer pirolizi[49]

Dasog ve diğerleri. Şekil 2'de gösterildiği gibi SiO2, Mg ve C tozları[55] arasındaki katı hal çift ayrışma reaksiyonuyla kontrol edilebilir boyutta ve net yapıya sahip küresel β-SiC nanokristalleri sentezlendi.

Şekil 2 Farklı çaplara sahip küresel SiC nanokristallerinin FESEM görüntüleri[55]

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

SiC nanotellerini büyütmek için buhar fazı yöntemi. Gaz fazı sentezi, SiC nanotellerini oluşturmak için en olgun yöntemdir. Tipik bir proseste, nihai ürünü oluşturmak için reaktan olarak kullanılan buhar maddeleri buharlaştırma, kimyasal indirgeme ve gaz reaksiyonu (yüksek sıcaklık gerektiren) yoluyla üretilir. Yüksek sıcaklık ek enerji tüketimini artırsa da, bu yöntemle yetiştirilen SiC nanotelleri genellikle Şekil 3'te gösterildiği gibi yüksek kristal bütünlüğüne, şeffaf nanotellere/nanorodlara, nanoprizmalara, nanoiğnelere, nanotüplere, nanokemerlere, nanokablolara vb. sahiptir.

Şekil 3 Tek boyutlu SiC nanoyapılarının tipik morfolojileri 

(a) Karbon fiberler üzerindeki Nanotel dizileri; (b) Ni-Si topları üzerindeki ultra uzun nanoteller; (c) Nanoteller; (d) Nanoprizmalar; (e) Nanobambu; (f) Nanoiğneler; (g) Nanokemikler; (h) Nanozincirler; (i) Nanotüpler

SiC nanotellerinin hazırlanması için çözüm yöntemi. Çözelti yöntemi, reaksiyon sıcaklığını azaltan SiC nanotellerini hazırlamak için kullanılır. Yöntem, bir çözelti fazı öncüsünün kendiliğinden kimyasal indirgeme veya nispeten yumuşak bir sıcaklıkta başka reaksiyonlar yoluyla kristalleştirilmesini içerebilir. Çözüm yönteminin temsilcileri olarak solvotermal sentez ve hidrotermal sentez, düşük sıcaklıklarda SiC nanotellerini elde etmek için yaygın olarak kullanılmıştır.

İki boyutlu nanomalzemeler, solvotermal yöntemler, darbeli lazerler, karbon termal indirgeme, mekanik eksfoliasyon ve geliştirilmiş mikrodalga plazma ile hazırlanabilir.CVD. Ho ve ark. Şekil 4'te gösterildiği gibi nanotel çiçek şeklinde bir 3D SiC nanoyapısı gerçekleştirdi. SEM görüntüsü, çiçek benzeri yapının 1-2 μm çapa ve 3-5 μm uzunluğa sahip olduğunu gösteriyor.

Şekil 4 Üç boyutlu bir SiC nanotel çiçeğinin SEM görüntüsü

SiC nanomalzemelerinin performansı

SiC nanomalzemeleri, iyi fiziksel, kimyasal, elektriksel ve diğer özelliklere sahip, mükemmel performansa sahip gelişmiş bir seramik malzemedir.

✔ Fiziksel özellikler

Yüksek sertlik: Nano silisyum karbürün mikro sertliği korindon ile elmas arasındadır ve mekanik mukavemeti korindondan daha yüksektir. Yüksek aşınma direncine ve iyi kendi kendini yağlamaya sahiptir.

Yüksek termal iletkenlik: Nano-silisyum karbür mükemmel termal iletkenliğe sahiptir ve mükemmel bir termal iletken malzemedir.

Düşük termal genleşme katsayısı: Bu, nano silisyum karbürün yüksek sıcaklık koşulları altında sabit bir boyut ve şekli korumasına olanak tanır.

Yüksek spesifik yüzey alanı: Nanomalzemelerin özelliklerinden biri, yüzey aktivitesini ve reaksiyon performansını iyileştirmeye yardımcı olmasıdır.

✔ Kimyasal özellikler

Kimyasal kararlılık: Nano-silisyum karbür, kararlı kimyasal özelliklere sahiptir ve çeşitli ortamlarda performansını değişmeden koruyabilir.

Antioksidasyon: Yüksek sıcaklıklarda oksidasyona karşı direnç gösterebilir ve mükemmel yüksek sıcaklık direnci sergiler.

✔Elektriksel özellikler

Yüksek bant aralığı: Yüksek bant aralığı, onu yüksek frekanslı, yüksek güçlü ve düşük enerjili elektronik cihazlar yapmak için ideal bir malzeme haline getirir.

Yüksek elektron doygunluğu hareketliliği: Elektronların hızlı iletimine elverişlidir.

✔Diğer özellikler

Güçlü radyasyon direnci: Radyasyon ortamında istikrarlı performansı koruyabilir.

İyi mekanik özellikler: Yüksek elastik modül gibi mükemmel mekanik özelliklere sahiptir.

SiC nanomalzemelerinin uygulanması

Elektronik ve yarı iletken cihazlar: Mükemmel elektronik özellikleri ve yüksek sıcaklık stabilitesi nedeniyle nano-silisyum karbür, yüksek güçlü elektronik bileşenlerde, yüksek frekanslı cihazlarda, optoelektronik bileşenlerde ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda yarı iletken cihazların imalatı için de ideal malzemelerden biridir.

Optik uygulamalar: Nano-silikon karbür geniş bir bant aralığına ve mükemmel optik özelliklere sahiptir ve yüksek performanslı lazerler, LED'ler, fotovoltaik cihazlar vb. üretmek için kullanılabilir.

Mekanik parçalar: Yüksek sertliği ve aşınma direncinden yararlanan nano-silisyum karbür, yüksek hızlı kesici takımlar, rulmanlar, mekanik contalar vb. gibi mekanik parçaların üretiminde aşınmayı büyük ölçüde iyileştirebilen geniş bir uygulama alanına sahiptir. parçaların direnci ve servis ömrü.

Nanokompozit malzemeler: Nano-silisyum karbür, malzemenin mekanik özelliklerini, termal iletkenliğini ve korozyon direncini geliştirmek için nanokompozitler oluşturmak üzere diğer malzemelerle birleştirilebilir. Bu nanokompozit malzeme havacılık, otomotiv endüstrisi, enerji alanı vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Yüksek sıcaklıkta yapısal malzemeler: Nanosilisyum karbürMükemmel yüksek sıcaklık stabilitesine ve korozyon direncine sahiptir ve aşırı yüksek sıcaklık ortamlarında kullanılabilir. Bu nedenle havacılık, petrokimya, metalurji ve imalat gibi diğer alanlarda yüksek sıcaklıkta yapısal malzeme olarak kullanılır.yüksek sıcaklık fırınları, fırın tüpleri, fırın astarları vb.

Diğer uygulamalar: Nanosilisyum karbür aynı zamanda hidrojen depolamada, fotokatalizde ve algılamada da kullanılır ve geniş uygulama olanakları gösterir.