วัสดุนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์

วัสดุนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์

วัสดุนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์ (วัสดุนาโน Sic) อ้างถึงวัสดุที่ประกอบด้วยซิลิกอนคาร์ไบด์ (SIC)อย่างน้อยหนึ่งมิติในระดับนาโนเมตร (มักจะกำหนดเป็น 1-100nm) ในพื้นที่สามมิติ วัสดุนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถจำแนกเป็นศูนย์มิติหนึ่งมิติหนึ่งมิติและสามมิติตามโครงสร้างของพวกเขา

โครงสร้างนาโนแบบไม่มีมิติเป็นโครงสร้างที่มีขนาดทั้งหมดอยู่ในระดับนาโนเมตรส่วนใหญ่รวมถึงนาโนคริสตัลที่เป็นของแข็งนาโนฮอลโลว์ nanocages กลวงและ nanospheres แกนเชลล์

โครงสร้างนาโนหนึ่งมิติอ้างถึงโครงสร้างที่สองมิติถูก จำกัด อยู่ที่ระดับนาโนเมตรในพื้นที่สามมิติ โครงสร้างนี้มีหลายรูปแบบรวมถึง nanowires (ศูนย์กลางที่เป็นของแข็ง), nanotubes (ศูนย์กลวง), nanobelts หรือ nanobelts (หน้าตัดสี่เหลี่ยมแคบ) และ nanoprisms (cross-section รูปปริซึม) โครงสร้างนี้ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยอย่างเข้มข้นเนื่องจากการใช้งานที่ไม่ซ้ำกันในการผลิตฟิสิกส์ mesoscopic และการผลิตอุปกรณ์ระดับนาโน ตัวอย่างเช่นผู้ให้บริการในโครงสร้างนาโนหนึ่งมิติสามารถแพร่กระจายในทิศทางเดียวของโครงสร้าง (เช่นทิศทางตามยาวของ nanowire หรือ nanotube) และสามารถใช้เป็นการเชื่อมต่อระหว่างกันและอุปกรณ์สำคัญในนาโนอิเล็กทรอนิคส์

โครงสร้างนาโนสองมิติซึ่งมีเพียงมิติเดียวที่ระดับนาโนมักจะตั้งฉากกับระนาบเลเยอร์ของพวกเขาเช่น nanosheets, nanosheets, nanosheets และ nanospheres ได้รับความสนใจเป็นพิเศษเมื่อเร็ว ๆ นี้ไม่เพียง แต่สำหรับความเข้าใจพื้นฐานของกลไกการเติบโตของพวกเขา

โครงสร้างนาโนสามมิติมักจะเรียกว่าโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนซึ่งเกิดขึ้นจากการรวบรวมหน่วยโครงสร้างพื้นฐานหนึ่งหน่วยขึ้นไปในมิติศูนย์มิติหนึ่งมิติและสองมิติ (เช่นนาโนหรือนาโนอโรดที่เชื่อมต่อกันด้วยการแยกผลึกเดี่ยว) และขนาดเรขาคณิตโดยรวม โครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนดังกล่าวที่มีพื้นที่ผิวสูงต่อปริมาตรหน่วยให้ข้อได้เปรียบมากมายเช่นเส้นทางแสงที่ยาวสำหรับการดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพการถ่ายโอนประจุอินเทอร์เซียลที่รวดเร็วและความสามารถในการขนส่งประจุที่ปรับได้ ข้อได้เปรียบเหล่านี้ช่วยให้โครงสร้างนาโนสามมิติสามารถพัฒนาการออกแบบในการแปลงพลังงานในอนาคตและแอพพลิเคชั่นการจัดเก็บในอนาคต จากโครงสร้าง 0d ถึง 3D มีการศึกษาวัสดุนาโนที่หลากหลายและค่อยๆนำเข้าสู่อุตสาหกรรมและชีวิตประจำวัน

วิธีการสังเคราะห์ของวัสดุนาโน SIC

วัสดุที่ไม่มีมิติสามารถสังเคราะห์ได้ด้วยวิธีการละลายร้อนวิธีการแกะสลักด้วยไฟฟ้า, วิธีการไพโรไลเซอร์เลเซอร์ ฯลฯ เพื่อให้ได้มาsic ของแข็งนาโนคริสตัลตั้งแต่นาโนเมตรไม่กี่ไปจนถึงนาโนเมตรหลายสิบตัว แต่มักจะเป็นเครื่องชั่งหลอกตามที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ภาพ TEM ของβ-SIC nanocrystal ที่เตรียมโดยวิธีการต่าง ๆ

(a) การสังเคราะห์ solvothermal [34]; (b) วิธีการแกะสลักด้วยไฟฟ้า [35]; (c) การประมวลผลความร้อน [48]; (d) เลเซอร์ไพโรไลซิส [49]

Dasog และคณะ nanocrystal ทรงกลม synthesized ที่มีขนาดควบคุมและโครงสร้างที่ชัดเจนโดยปฏิกิริยาการสลายตัวสองครั้งของโซลิดสเตตระหว่าง SiO2, MG และ C ผง [55] ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ภาพ FESEM ของ sic sic nanocrystal ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางแตกต่างกัน [55]

(a) 51.3 ± 5.5 nm; (b) 92.8 ± 6.6 nm; (c) 278.3 ± 8.2 นาโนเมตร

วิธีเฟสไอสำหรับการปลูกนาโน SIC การสังเคราะห์เฟสก๊าซเป็นวิธีที่เป็นผู้ใหญ่มากที่สุดในการสร้าง sic nanowires ในกระบวนการทั่วไปสารไอที่ใช้เป็นสารตั้งต้นในการสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายนั้นเกิดจากการระเหยการลดสารเคมีและปฏิกิริยาก๊าซ (ต้องใช้อุณหภูมิสูง) แม้ว่าอุณหภูมิสูงจะเพิ่มการใช้พลังงานเพิ่มเติม แต่ sic nanowires ที่ปลูกด้วยวิธีนี้มักจะมีความสมบูรณ์ของผลึกสูง, nanowires/nanorods, nanoprisms, nanoneedles, nanotubes, nanobelts, nanocables ฯลฯ ดังที่แสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 สัณฐานวิทยาทั่วไปของโครงสร้างนาโน SIC แบบหนึ่งมิติ 

(a) อาร์เรย์ nanowire บนเส้นใยคาร์บอน (b) nanowires ultralong บนลูกบอล Ni-Si; (c) nanowires; (d) นาโน (e) Nanobamboo; (f) nanoneedles; (g) nanobones; (h) nanochains; (i) nanotubes

วิธีการแก้ปัญหาสำหรับการเตรียม sic nanowires วิธีการแก้ปัญหาใช้ในการเตรียม sic nanowires ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิปฏิกิริยา วิธีการนี้อาจรวมถึงการตกผลึกของสารละลายสารละลายสารละลายผ่านการลดสารเคมีที่เกิดขึ้นเองหรือปฏิกิริยาอื่น ๆ ที่อุณหภูมิค่อนข้างอ่อน ในฐานะตัวแทนของวิธีการแก้ปัญหาการสังเคราะห์ solvothermal และการสังเคราะห์ความร้อนใต้พิภพมักถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ sic nanowires ที่อุณหภูมิต่ำ

วัสดุนาโนสองมิติสามารถเตรียมได้ด้วยวิธีการตรวจความร้อนด้วยความร้อน, เลเซอร์พัลซิ่ง, การลดความร้อนคาร์บอน, การขัดผิวทางกลและพลาสมาไมโครเวฟเพิ่มขึ้นCVD- โฮและคณะ ตระหนักถึงโครงสร้างนาโน SIC 3D ในรูปของดอกไม้นาโนไดร์ดังดังแสดงในรูปที่ 4 ภาพ SEM แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างคล้ายดอกไม้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-2 ไมครอนและความยาว 3-5 μm

รูปที่ 4 ภาพ SEM ของดอกไม้ sic nanowire สามมิติ

ประสิทธิภาพของวัสดุนาโน sic

วัสดุนาโน Sic เป็นวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพเคมีไฟฟ้าและอื่น ๆ ที่ดี

✔ คุณสมบัติทางกายภาพ

ความแข็งสูง: ความรุนแรงของไมโครของนาโน-ซิลิกอนคาร์ไบด์อยู่ระหว่าง Corundum และ Diamond และความแข็งแรงเชิงกลของมันสูงกว่า Corundum มันมีความต้านทานการสึกหรอสูงและการหล่อลื่นตนเองที่ดี

การนำความร้อนสูง: นาโน-ซิลิกอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมและเป็นวัสดุนำไฟฟ้าความร้อนที่ยอดเยี่ยม

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ: สิ่งนี้ช่วยให้คาร์ไบด์นาโน-ซิลิกอนรักษาขนาดและรูปร่างที่มั่นคงภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง

พื้นที่ผิวจำเพาะสูง: หนึ่งในลักษณะของวัสดุนาโนมันเอื้อต่อการปรับปรุงกิจกรรมพื้นผิวและประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยา

✔ คุณสมบัติทางเคมี

ความเสถียรทางเคมี: นาโน-ซิลิกอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติทางเคมีที่มั่นคงและสามารถรักษาประสิทธิภาพได้ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

สารต้านอนุมูลอิสระ: สามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและแสดงความต้านทานอุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยม

✔คุณสมบัติไฟฟ้า

Bandgap สูง: Bandgap สูงทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงพลังงานสูงและพลังงานอิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำ

การเคลื่อนย้ายความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง: มันเอื้อต่อการส่งผ่านอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว

✔ลักษณะอื่น ๆ

ความต้านทานต่อรังสีที่แข็งแกร่ง: สามารถรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงในสภาพแวดล้อมการแผ่รังสี

คุณสมบัติเชิงกลที่ดี: มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมเช่นโมดูลัสยืดหยุ่นสูง

การประยุกต์ใช้วัสดุนาโน sic

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์: เนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมและความเสถียรอุณหภูมิสูงคาร์ไบด์นาโน-ซิลิกอนจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์พลังงานสูงอุปกรณ์ความถี่สูงส่วนประกอบออพโตอิเล็กทรอนิกส์และสาขาอื่น ๆ ในขณะเดียวกันก็เป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์

แอปพลิเคชันออปติคัล: Nano-Silicon Carbide มี bandgap กว้างและคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยมและสามารถใช้ในการผลิตเลเซอร์ประสิทธิภาพสูง, LED, อุปกรณ์เซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ

ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล: การใช้ประโยชน์จากความแข็งและความต้านทานการสึกหรอสูง Nano-Silicon Carbide มีการใช้งานที่หลากหลายในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกลเช่นเครื่องมือตัดความเร็วสูงแบริ่งซีลเครื่องจักรกล ฯลฯ ซึ่งสามารถปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและอายุการใช้งานของชิ้นส่วนได้อย่างมาก

วัสดุนาโนคอมโพสิต: Nano-Silicon Carbide สามารถรวมกับวัสดุอื่น ๆ เพื่อสร้าง nanocomposites เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลการนำความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ วัสดุนาโนคอมโพสิตนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศอุตสาหกรรมยานยนต์สนามพลังงาน ฯลฯ

วัสดุโครงสร้างอุณหภูมิสูง: นาโนซิลิกอนคาร์ไบด์มีความเสถียรของอุณหภูมิสูงและความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมและสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงมาก ดังนั้นจึงใช้เป็นวัสดุโครงสร้างอุณหภูมิสูงในการบินและอวกาศปิโตรเคมีโลหะโลหะและสาขาอื่น ๆ เช่นการผลิตเตาเผาอุณหภูมิสูง, ท่อเตาเผา, วัสดุบุผิวเตา ฯลฯ

แอปพลิเคชันอื่น ๆ: นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์ยังใช้ในการจัดเก็บไฮโดรเจนโฟโตแคตไลซิสและการตรวจจับซึ่งแสดงโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง