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 nanométrica (geralmente definida como 1-100nm) no espaço tridimensional. Os nanomateriais de carboneto de silício podem ser classificados em estruturas de dimensão zero, unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais de acordo com sua estrutura.

Nanoestruturas de dimensão zerosão estruturas cujas todas as dimensões estão na escala nanométrica, incluindo principalmente nanocristais sólidos, nanoesferas ocas, nanogaiolas ocas e nanoesferas core-shell.

Nanoestruturas unidimensionaisreferem-se a estruturas nas quais duas dimensões estão confinadas à escala nanométrica no espaço tridimensional. Esta estrutura tem muitas formas, incluindo nanofios (centro sólido), nanotubos (centro oco), nanocintos ou nanocintos (seção transversal retangular estreita) e nanoprismas (seção transversal em forma de prisma). Esta estrutura tornou-se o foco de intensa pesquisa devido às suas aplicações únicas na física mesoscópica e na fabricação de dispositivos em nanoescala. Por exemplo, portadores em nanoestruturas unidimensionais só podem se propagar em uma direção da estrutura (isto é, a direção longitudinal do nanofio ou nanotubo) e podem ser usados ​​como interconexões e dispositivos-chave em nanoeletrônica.

Nanoestruturas bidimensionais, que possuem apenas uma dimensão em nanoescala, geralmente perpendicular ao seu plano de camada, como nanofolhas, nanofolhas, nanofolhas e nanoesferas, têm recebido atenção especial recentemente, não apenas pela compreensão básica de seu mecanismo de crescimento, mas também para explorar seu potencial aplicações em emissores de luz, sensores, células solares, etc.

Nanoestruturas tridimensionaissão geralmente chamadas de nanoestruturas complexas, que são formadas por uma coleção de uma ou mais unidades estruturais básicas em dimensão zero, unidimensional e bidimensional (como nanofios ou nanobastões conectados por junções de cristal único) e suas dimensões geométricas gerais estão na escala nanométrica ou micrométrica. Essas nanoestruturas complexas com alta área superficial por unidade de volume oferecem muitas vantagens, como longos caminhos ópticos para absorção eficiente de luz, rápida transferência de carga interfacial e capacidades de transporte de carga ajustáveis. Essas vantagens permitem que nanoestruturas tridimensionais avancem no design em futuras aplicações de conversão e armazenamento de energia. De estruturas 0D a 3D, uma grande variedade de nanomateriais tem sido estudada e gradualmente introduzida na indústria e na vida diária.

Métodos de síntese de nanomateriais de SiC

Materiais de dimensão zero podem ser sintetizados pelo método de fusão a quente, método de gravação eletroquímica, método de pirólise a laser, etc.SiC sólidonanocristais variando de alguns nanômetros a dezenas de nanômetros, mas geralmente são pseudoesféricos, como mostrado na Figura 1.

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

(a) Síntese solvotérmica[34]; (B) Método de ataque eletroquímico[35]; (c) Processamento térmico[48]; (d) Pirólise a laser[49]

Dasog et al. nanocristais esféricos de β-SiC sintetizados com tamanho controlável e estrutura clara por reação de dupla decomposição em estado sólido entre pós de SiO2, Mg e C [55], como mostrado na Figura 2.

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

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

Método de fase de vapor para cultivo de nanofios de SiC. A síntese em fase gasosa é o método mais maduro para formar nanofios de SiC. Num processo típico, as substâncias de vapor utilizadas como reagentes para formar o produto final são geradas por evaporação, redução química e reação gasosa (exigindo alta temperatura). Embora a alta temperatura aumente o consumo adicional de energia, os nanofios de SiC cultivados por este método geralmente apresentam alta integridade cristalina, nanofios/nanobastões transparentes, nanoprismas, nanoagulhas, nanotubos, nanocintos, nanocabos, etc., como mostrado na Figura 3.

Figura 3 Morfologias típicas de nanoestruturas unidimensionais de SiC 

(a) Matrizes de nanofios em fibras de carbono; (b) Nanofios ultralongos em bolas de Ni-Si; (c) Nanofios; (d) Nanoprismas; (e) Nanobambu; (f) Nanoagulhas; (g) Nanoossos; (h) Nanocadeias; (i) Nanotubos

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

Nanomateriais bidimensionais podem ser preparados por métodos solvotérmicos, lasers pulsados, redução térmica de carbono, esfoliação mecânica e plasma de micro-ondas aprimoradoDCV. Ho et al. realizou uma nanoestrutura 3D de SiC no formato de uma flor de nanofio, conforme mostrado na Figura 4. A imagem SEM mostra que a estrutura semelhante a uma flor tem um diâmetro de 1-2 μm e um comprimento de 3-5 μm.

Figura 4 Imagem SEM de uma flor tridimensional de nanofios de SiC

Desempenho de nanomateriais de 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 microdureza do carboneto de nano-silício está entre o corindo e o diamante, e sua resistência mecânica é superior à do corindo. Possui alta resistência ao desgaste e boa autolubrificação.

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

Baixo coeficiente de expansão térmica: Isso permite que o carboneto de nanosilício mantenha um tamanho e forma estáveis ​​sob condições de alta temperatura.

Alta área superficial específica: Uma das características dos nanomateriais, é propício para melhorar sua atividade superficial e desempenho de 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 à oxidação em altas temperaturas e apresenta excelente resistência a altas temperaturas.

✔Propriedades elétricas

Alto bandgap: O alto bandgap o torna um material ideal para fabricar dispositivos eletrônicos de alta frequência, alta potência e baixo consumo de energia.

Mobilidade de alta saturação de elétrons: É propícia à rápida transmissão de elétrons.

✔Outras características

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

Boas propriedades mecânicas: Possui excelentes propriedades mecânicas, como alto módulo de elasticidade.

Aplicação de nanomateriais SiC

Dispositivos eletrônicos e semicondutores: Devido às suas excelentes propriedades eletrônicas e estabilidade em altas temperaturas, 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, é também um dos materiais ideais para a fabricação de dispositivos semicondutores.

Aplicações ópticas: O carboneto de nano-silício tem um amplo bandgap 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 nanosilício tem uma ampla gama de aplicações na fabricação de peças mecânicas, como ferramentas de corte de alta velocidade, rolamentos, vedações mecânicas, etc., o que pode melhorar muito o desgaste. resistência e vida útil das peças.

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, na área de energia, etc.

Materiais estruturais de alta temperatura: Nanocarboneto de silíciotem excelente estabilidade em altas temperaturas e resistência à corrosão e pode ser usado em ambientes de temperaturas extremamente altas. Portanto, é usado como material estrutural de alta temperatura nas áreas aeroespacial, petroquímica, metalúrgica e outras áreas, como fabricaçãofornos de alta temperatura, tubos de forno, revestimentos de fornos, etc.

Outras aplicações: O carboneto de nano silício também é usado no armazenamento de hidrogênio, fotocatálise e detecção, mostrando amplas perspectivas de aplicação.