Nanomateriales de carburo de silicio

Nanomateriales de carburo de silicio

Los nanomateriales de carburo de silicio (nanomateriales de SiC) se refieren a materiales compuestos decarburo de silicio (SiC)con al menos una dimensión en la escala nanométrica (generalmente definida como 1-100 nm) en un espacio tridimensional. Los nanomateriales de carburo de silicio se pueden clasificar en estructuras de dimensión cero, unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales según su estructura.

Nanoestructuras de dimensión ceroson estructuras cuyas dimensiones están en la escala nanométrica, incluyendo principalmente nanocristales sólidos, nanoesferas huecas, nanojaulas huecas y nanoesferas de núcleo-cubierta.

Nanoestructuras unidimensionalesse refieren a estructuras en las que dos dimensiones están confinadas a la escala nanométrica en un espacio tridimensional. Esta estructura tiene muchas formas, incluidos nanocables (centro sólido), nanotubos (centro hueco), nanocinturones o nanocinturones (de sección transversal rectangular estrecha) y nanoprismas (de sección transversal en forma de prisma). Esta estructura se ha convertido en el foco de una intensa investigación debido a sus aplicaciones únicas en la física mesoscópica y la fabricación de dispositivos a nanoescala. Por ejemplo, los portadores en nanoestructuras unidimensionales solo pueden propagarse en una dirección de la estructura (es decir, la dirección longitudinal del nanocable o nanotubo) y pueden usarse como interconexiones y dispositivos clave en nanoelectrónica.

Nanoestructuras bidimensionales, que tienen una sola dimensión en la nanoescala, generalmente perpendicular al plano de su capa, como nanoláminas, nanoláminas, nanoláminas y nanoesferas, han recibido especial atención recientemente, no solo por la comprensión básica de su mecanismo de crecimiento, sino también para explorar su potencial. aplicaciones en emisores de luz, sensores, células solares, etc.

Nanoestructuras tridimensionalesGeneralmente se denominan nanoestructuras complejas, que están formadas por una colección de una o más unidades estructurales básicas de dimensión cero, unidimensional y bidimensional (como nanocables o nanobarras conectadas por uniones monocristalinas), y sus dimensiones geométricas generales. están en la escala nanométrica o micrométrica. Estas nanoestructuras complejas con una gran superficie por unidad de volumen ofrecen muchas ventajas, como largas trayectorias ópticas para una absorción eficiente de la luz, una rápida transferencia de carga interfacial y capacidades de transporte de carga sintonizables. Estas ventajas permiten que las nanoestructuras tridimensionales avancen en el diseño de futuras aplicaciones de conversión y almacenamiento de energía. Desde estructuras 0D hasta estructuras 3D, se han estudiado e introducido gradualmente en la industria y la vida diaria una amplia variedad de nanomateriales.

Métodos de síntesis de nanomateriales de SiC.

Los materiales de dimensión cero se pueden sintetizar mediante el método de fusión en caliente, el método de grabado electroquímico, el método de pirólisis láser, etc. para obtenerSiC sólidonanocristales que van desde unos pocos nanómetros hasta decenas de nanómetros, pero generalmente son pseudoesféricos, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1 Imágenes TEM de nanocristales de β-SiC preparados mediante diferentes métodos

(a) Síntesis solvotérmica[34]; (B) Método de grabado electroquímico[35]; c) Procesamiento térmico[48]; (d) Pirólisis láser[49]

Dasog et al. nanocristales esféricos de β-SiC sintetizados con tamaño controlable y estructura clara mediante reacción de doble descomposición en estado sólido entre polvos de SiO2, Mg y C [55], como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Imágenes FESEM de nanocristales esféricos de SiC con diferentes diámetros[55]

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

Método en fase de vapor para el cultivo de nanocables de SiC. La síntesis en fase gaseosa es el método más maduro para formar nanocables de SiC. En un proceso típico, las sustancias de vapor utilizadas como reactivos para formar el producto final se generan por evaporación, reducción química y reacción gaseosa (que requiere alta temperatura). Aunque las altas temperaturas aumentan el consumo de energía adicional, los nanocables de SiC cultivados mediante este método suelen tener una alta integridad cristalina, nanocables/nanobarras transparentes, nanoprismas, nanoagujas, nanotubos, nanocinturones, nanocables, etc., como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Morfologías típicas de nanoestructuras de SiC unidimensionales 

(a) Conjuntos de nanocables sobre fibras de carbono; (b) Nanocables ultralargos sobre bolas de Ni-Si; (c) Nanocables; (d) Nanoprismas; e) nanobambú; (f) nanoagujas; (g) Nanohuesos; (h) Nanocadenas; (i) Nanotubos

Método de solución para la preparación de nanocables de SiC. El método de solución se utiliza para preparar nanocables de SiC, lo que reduce la temperatura de reacción. El método puede incluir cristalizar un precursor en fase de solución mediante reducción química espontánea u otras reacciones a una temperatura relativamente suave. Como representantes del método de solución, la síntesis solvotérmica y la síntesis hidrotermal se han utilizado comúnmente para obtener nanocables de SiC a bajas temperaturas.

Los nanomateriales bidimensionales se pueden preparar mediante métodos solvotérmicos, láseres pulsados, reducción térmica de carbono, exfoliación mecánica y plasma de microondas mejorado.ECV. Ho et al. realizó una nanoestructura de SiC 3D en forma de flor de nanocables, como se muestra en la Figura 4. La imagen SEM muestra que la estructura similar a una flor tiene un diámetro de 1 a 2 μm y una longitud de 3 a 5 μm.

Figura 4 Imagen SEM de una flor tridimensional de nanocables de SiC

Rendimiento de los nanomateriales de SiC.

Los nanomateriales de SiC son un material cerámico avanzado con un rendimiento excelente y buenas propiedades físicas, químicas, eléctricas y de otro tipo.

✔ Propiedades físicas

Alta dureza: la microdureza del carburo de nanosilicio se encuentra entre el corindón y el diamante, y su resistencia mecánica es mayor que la del corindón. Tiene alta resistencia al desgaste y buena autolubricación.

Alta conductividad térmica: el carburo de nanosilicio tiene una excelente conductividad térmica y es un excelente material conductor térmico.

Bajo coeficiente de expansión térmica: esto permite que el carburo de nanosilicio mantenga un tamaño y forma estables en condiciones de alta temperatura.

Alta superficie específica: una de las características de los nanomateriales, favorece la mejora de su actividad superficial y rendimiento de reacción.

✔ Propiedades químicas

Estabilidad química: el carburo de nanosilicio tiene propiedades químicas estables y puede mantener su rendimiento sin cambios en diversos entornos.

Antioxidación: puede resistir la oxidación a altas temperaturas y exhibe una excelente resistencia a altas temperaturas.

✔Propiedades electricas

Banda prohibida alta: La banda prohibida alta lo convierte en un material ideal para fabricar dispositivos electrónicos de alta frecuencia, alta potencia y baja energía.

Alta movilidad de saturación de electrones: favorece la rápida transmisión de electrones.

✔Otras características

Fuerte resistencia a la radiación: puede mantener un rendimiento estable en un entorno de radiación.

Buenas propiedades mecánicas: Tiene excelentes propiedades mecánicas como un alto módulo elástico.

Aplicación de nanomateriales de SiC.

Dispositivos electrónicos y semiconductores.: Debido a sus excelentes propiedades electrónicas y estabilidad a altas temperaturas, el carburo de nanosilicio se usa ampliamente en componentes electrónicos de alta potencia, dispositivos de alta frecuencia, componentes optoelectrónicos y otros campos. Al mismo tiempo, también es uno de los materiales ideales para la fabricación de dispositivos semiconductores.

Aplicaciones ópticas: El carburo de nanosilicio tiene una banda prohibida amplia y excelentes propiedades ópticas, y puede utilizarse para fabricar láseres, LED, dispositivos fotovoltaicos, etc. de alto rendimiento.

Piezas mecanicas: Aprovechando su alta dureza y resistencia al desgaste, el carburo de nanosilicio tiene una amplia gama de aplicaciones en la fabricación de piezas mecánicas, como herramientas de corte de alta velocidad, rodamientos, sellos mecánicos, etc., que pueden mejorar en gran medida el desgaste. Resistencia y vida útil de las piezas.

Materiales nanocompuestos: El carburo de nanosilicio se puede combinar con otros materiales para formar nanocompuestos para mejorar las propiedades mecánicas, la conductividad térmica y la resistencia a la corrosión del material. Este material nanocompuesto se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, energética, etc.

Materiales estructurales de alta temperatura.: Nanocarburo de siliciotiene una excelente estabilidad a altas temperaturas y resistencia a la corrosión, y puede usarse en ambientes con temperaturas extremadamente altas. Por lo tanto, se utiliza como material estructural de alta temperatura en los campos aeroespacial, petroquímico, metalúrgico y otros, como la fabricación.hornos de alta temperatura, tubos de horno, revestimientos de hornos, etc.

Otras aplicaciones: El nanocarburo de silicio también se utiliza en el almacenamiento de hidrógeno, la fotocatálisis y la detección, lo que muestra amplias perspectivas de aplicación.