Nanomateriais de carboneto de silício

Nanomateriais de carboneto de silício

Nanomateriais de carboneto de silício (nanomateriais sic) referem -se a materiais compostos decarboneto de silício (sic)com pelo menos uma dimensão na escala de nanômetros (geralmente definida como 1-100 nm) no espaço tridimensional. Os nanomateriais de carboneto de silício podem ser classificados em estruturas zero-dimensionais, unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais de acordo com sua estrutura.

Nanoestruturas zero-dimensionaissão estruturas cujas dimensões estão na escala de nanômetros, incluindo principalmente nanocristais sólidos, nanoesferas ocas, nanocagens ocas e nanoesferas de casca de núcleo.

Nanoestruturas unidimensionaisConsulte as estruturas nas quais duas dimensões são confinadas à escala de nanômetros no espaço tridimensional. Essa estrutura possui muitas formas, incluindo nanofios (centro sólido), nanotubos (centro oco), nanobelts ou nanobelts (seção transversal retangular estreita) e nanoprismos (seção transversal em forma de prisma). Essa estrutura se tornou o foco da pesquisa intensiva devido a suas aplicações únicas na física mesoscópica e na fabricação de dispositivos em nanoescala. Por exemplo, portadores de nanoestruturas unidimensionais podem se propagar apenas em uma direção da estrutura (isto é, a direção longitudinal do nanofio ou nanotubo) e podem ser usados ​​como interconexões e dispositivos-chave em nanoeletrônicos.

Nanoestruturas bidimensionais, que têm apenas uma dimensão na nanoescala, geralmente perpendicularmente ao seu plano de camada, como nanopartículas, nanofeetes, nanopartículas e nanoesferas, receberam atenção especial recentemente, não apenas para a compreensão básica de seu mecanismo de crescimento, mas também para explorar suas possíveis aplicações em emissores de luz, sensores, células solares, etc.

Nanoestruturas tridimensionaissão geralmente chamados de nanoestruturas complexas, formadas por uma coleção de uma ou mais unidades estruturais básicas em nanofios-dimensionais, unidimensionais e bidimensionais (como nanofios ou nanorods conectados por junções de cristal único) e suas dimensões geométricas gerais estão na escala de nanômetro ou micrômetro. Tais nanoestruturas complexas com alta área superficial por unidade de volume fornecem muitas vantagens, como caminhos ópticos longos para absorção de luz eficiente, transferência de carga interfacial rápida e recursos de transporte de carga ajustável. Essas vantagens permitem que as nanoestruturas tridimensionais promovam o design em futuras aplicações de conversão de energia e armazenamento. Das estruturas 0d a 3D, uma grande variedade de nanomateriais foi estudada e gradualmente introduzida na indústria e na vida cotidiana.

Métodos de síntese de nanomateriais SiC

Os materiais zero-dimensionais podem ser sintetizados pelo método de fusão a quente, método de gravura eletroquímica, método de pirólise a laser, etc. para obterSiC sólidoOs nanocristais que variam de alguns nanômetros a dezenas de nanômetros, mas geralmente são pseudo-esféricos, como mostra a Figura 1.

Figura 1 Imagens TEM de nanocristais β-SiC preparados por diferentes métodos

(a) síntese solvotérmica [34]; (B) método de gravura eletroquímica [35]; (c) processamento térmico [48]; (d) Pirólise a laser [49]

Dasog et al. Nanocristais β-SIC esféricos sintetizados com tamanho controlável e estrutura clara por reação de decomposição dupla de estado sólido entre os pós de SiO2, Mg e C [55], como mostra a Figura 2.

Figura 2 Imagens Feseem de nanocristais esféricos de SiC com diferentes diâmetros [55]

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

Método da fase de vapor para cultivar nanofios SiC. A síntese da fase gasosa é o método mais maduro para formar nanofios SiC. Em um processo típico, as substâncias de vapor usadas como reagentes para formar o produto final são geradas por evaporação, redução química e reação gasosa (requer alta temperatura). Embora a alta temperatura aumente o consumo adicional de energia, os nanofios SiC cultivados por esse método geralmente têm alta integridade de cristal, nanofios/nanorods claros, nanoprismas, nanoneedles, nanotubos, nanobelts, nanocables, etc., como mostrado na Figura 3.

Figura 3 Morfologias típicas de nanoestruturas SiC unidimensionais 

(a) matrizes de nanofios em fibras de carbono; (b) nanofios ultralonong nas bolas Ni-Si; (c) nanofios; (d) nanoprismos; (E) nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobonas; (H) nanocains; (i) Nanotubos

Método da solução para a preparação de nanofios SiC. O método da solução é usado para preparar nanofios SiC, o que reduz a temperatura da reação. O método pode incluir a cristalização de um precursor de fase da solução através de redução química espontânea ou outras reações a uma temperatura relativamente leve. Como representantes do método da solução, a síntese solvotérmica e a síntese hidrotérmica têm sido comumente usadas para obter nanofios SiC a baixas temperaturas.

Nanomateriais bidimensionais podem ser preparados por métodos solvotérmicos, lasers pulsados, redução térmica de carbono, esfoliação mecânica e plasma de microondas aprimoradoCVD. Ho et al. percebeu uma nanoestrutura 3D SiC na forma de uma flor de nanofio, como mostrado na Figura 4. A imagem SEM mostra que a estrutura do tipo flor tem um diâmetro de 1-2 μm e um comprimento de 3-5 μm.

Figura 4 Imagem SEM de uma flor de nanofio tridimensional

Desempenho de nanomateriais sic

Os nanomateriais SiC são um material cerâmico avançado com excelente desempenho, que possui boas propriedades físicas, químicas, elétricas e outras.

✔ Propriedades físicas

Alta dureza: a microheridade do carboneto de nano-silício é entre corundum e diamante, e sua resistência mecânica é maior que a do corindo. Tem alta resistência ao desgaste e boa auto-lubrificação.

Alta condutividade térmica: o carboneto de nano-silício possui excelente condutividade térmica e é um excelente material condutor térmico.

Coeficiente de expansão térmica baixo: isso permite que o carboneto de nano-silício mantenha um tamanho e uma forma estáveis ​​em condições de alta temperatura.

Alta área de superfície específica: uma das características dos nanomateriais, é propício para melhorar sua atividade superficial e desempenho da reação.

✔ Propriedades químicas

Estabilidade química: O carboneto de nano-silício possui propriedades químicas estáveis ​​e pode manter seu desempenho inalterado em vários ambientes.

Antioxidação: pode resistir a oxidação em altas temperaturas e exibe excelente resistência à alta temperatura.

✔Propriedades elétricas

High BandGap: o alto gap de banda o torna um material ideal para fabricar dispositivos eletrônicos de alta frequência, alta potência e baixa energia.

Mobilidade de alta saturação de elétrons: é propício à rápida transmissão de elétrons.

✔Outras características

Forte resistência à radiação: pode manter o desempenho estável em um ambiente de radiação.

Boas propriedades mecânicas: possui excelentes propriedades mecânicas, como alto módulo de elástico.

Aplicação de nanomateriais sic

Dispositivos eletrônicos e semicondutores: Devido às suas excelentes propriedades eletrônicas e estabilidade de alta temperatura, o carboneto de nano-silício é amplamente utilizado em componentes eletrônicos de alta potência, dispositivos de alta frequência, componentes optoeletrônicos e outros campos. Ao mesmo tempo, também é um dos materiais ideais para fabricar dispositivos semicondutores.

Aplicações ópticas: O carboneto de nano-silício possui um amplo e excelentes propriedades ópticas e pode ser usado para fabricar lasers de alto desempenho, LEDs, dispositivos fotovoltaicos, etc.

Peças mecânicas: Aproveitando sua alta dureza e resistência ao desgaste, o carboneto de nano-silício possui uma ampla gama de aplicações na fabricação de peças mecânicas, como ferramentas de corte de alta velocidade, rolamentos, vedações mecânicas etc., que podem melhorar bastante a resistência ao desgaste e a vida útil das partes.

Materiais nanocompósitos: O carboneto de nano-silício pode ser combinado com outros materiais para formar nanocompósitos para melhorar as propriedades mecânicas, condutividade térmica e resistência à corrosão do material. Este material nanocompósito é amplamente utilizado na indústria aeroespacial, automotiva, campo de energia, etc.

Materiais estruturais de alta temperatura: Nanocarboneto de silíciopossui excelente estabilidade de alta temperatura e resistência à corrosão e pode ser usada em ambientes extremos de alta temperatura. Portanto, é usado como material estrutural de alta temperatura em aeroespacial, petroquímico, metalurgia e outros campos, como a fabricaçãofornos de alta temperatura, Tubos de forno, fornos de forno, etc.

Outras aplicações: O carboneto de nano silício também é usado em armazenamento de hidrogênio, fotocatálise e detecção, mostrando amplas perspectivas de aplicação.