Vật liệu nano cacbua silic

Vật liệu nano cacbua silic

Vật liệu nano cacbua silic (vật liệu nano SiC) dùng để chỉ các vật liệu bao gồmcacbua silic (SiC)với ít nhất một chiều ở thang đo nanomet (thường được xác định là 1-100nm) trong không gian ba chiều. Vật liệu nano cacbua silic có thể được phân loại thành các cấu trúc không chiều, một chiều, hai chiều và ba chiều theo cấu trúc của chúng.

Cấu trúc nano không chiềulà các cấu trúc có tất cả các kích thước đều ở quy mô nanomet, chủ yếu bao gồm các tinh thể nano rắn, các hạt nano rỗng, các lồng nano rỗng và các hạt nano vỏ lõi.

Cấu trúc nano một chiềuđề cập đến các cấu trúc trong đó hai chiều được giới hạn ở quy mô nanomet trong không gian ba chiều. Cấu trúc này có nhiều dạng, bao gồm dây nano (trung tâm rắn), ống nano (trung tâm rỗng), đai nano hoặc đai nano (tiết diện hình chữ nhật hẹp) và lăng kính nano (tiết diện hình lăng trụ). Cấu trúc này đã trở thành tâm điểm của nghiên cứu chuyên sâu do những ứng dụng độc đáo của nó trong vật lý siêu âm và sản xuất thiết bị có kích thước nano. Ví dụ, các chất mang trong cấu trúc nano một chiều chỉ có thể truyền theo một hướng của cấu trúc (tức là hướng dọc của dây nano hoặc ống nano) và có thể được sử dụng làm kết nối và thiết bị chính trong điện tử nano.

Cấu trúc nano hai chiều, chỉ có một chiều ở cấp độ nano, thường vuông góc với mặt phẳng lớp của chúng, chẳng hạn như tấm nano, tấm nano, tấm nano và quả cầu nano, gần đây đã nhận được sự chú ý đặc biệt, không chỉ vì hiểu biết cơ bản về cơ chế phát triển của chúng mà còn để khám phá tiềm năng của chúng ứng dụng trong bộ phát ánh sáng, cảm biến, pin mặt trời, v.v.

Cấu trúc nano ba chiềuthường được gọi là cấu trúc nano phức tạp, được hình thành bởi tập hợp một hoặc nhiều đơn vị cấu trúc cơ bản ở không chiều, một chiều và hai chiều (chẳng hạn như dây nano hoặc thanh nano được kết nối bằng các mối nối tinh thể đơn) và kích thước hình học tổng thể của chúng ở quy mô nanomet hoặc micromet. Các cấu trúc nano phức tạp như vậy với diện tích bề mặt cao trên một đơn vị thể tích mang lại nhiều lợi thế, chẳng hạn như đường quang dài để hấp thụ ánh sáng hiệu quả, truyền điện tích bề mặt nhanh và khả năng vận chuyển điện tích có thể điều chỉnh. Những ưu điểm này cho phép cấu trúc nano ba chiều nâng cao thiết kế trong các ứng dụng lưu trữ và chuyển đổi năng lượng trong tương lai. Từ cấu trúc 0D đến 3D, rất nhiều loại vật liệu nano đã được nghiên cứu và dần dần đưa vào ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hàng ngày.

Các phương pháp tổng hợp vật liệu nano SiC

Vật liệu không chiều có thể được tổng hợp bằng phương pháp nóng chảy, phương pháp ăn mòn điện hóa, phương pháp nhiệt phân laser, v.v. để thu đượcSiC rắncác tinh thể nano có kích thước từ vài nanomet đến hàng chục nanomet, nhưng thường có dạng giả cầu, như trong Hình 1.

Hình 1 Ảnh TEM của tinh thể nano β-SiC được điều chế bằng các phương pháp khác nhau

(a) Tổng hợp dung môi nhiệt[34]; (B) Phương pháp ăn mòn điện hóa[35]; (c) Xử lý nhiệt[48]; (d) Nhiệt phân bằng laser[49]

Dasog và cộng sự. tổng hợp các tinh thể nano β-SiC hình cầu với kích thước có thể kiểm soát và cấu trúc rõ ràng bằng phản ứng phân hủy kép ở trạng thái rắn giữa bột SiO2, Mg và C [55], như trong Hình 2.

Hình 2 Ảnh FESEM của tinh thể nano SiC hình cầu với các đường kính khác nhau[55]

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

Phương pháp pha hơi để phát triển dây nano SiC. Tổng hợp pha khí là phương pháp hoàn thiện nhất để hình thành dây nano SiC. Trong một quy trình điển hình, các chất hơi được sử dụng làm chất phản ứng để tạo thành sản phẩm cuối cùng được tạo ra bằng cách bay hơi, khử hóa học và phản ứng khí (đòi hỏi nhiệt độ cao). Mặc dù nhiệt độ cao làm tăng mức tiêu thụ năng lượng bổ sung, các dây nano SiC phát triển bằng phương pháp này thường có tính toàn vẹn tinh thể cao, dây nano/thanh nano trong suốt, lăng kính nano, kim nano, ống nano, đai nano, cáp nano, v.v., như trong Hình 3.

Hình 3 Hình thái điển hình của cấu trúc nano SiC một chiều 

(a) Mảng dây nano trên sợi carbon; (b) Dây nano siêu dài trên quả bóng Ni-Si; (c) Dây nano; (d) Lăng kính nano; (e) Tre nano; (f) Kim nano; (g) Xương nano; (h) Chuỗi nano; (i) Ống nano

Phương pháp giải chế tạo dây nano SiC. Phương pháp dung dịch được sử dụng để điều chế dây nano SiC, làm giảm nhiệt độ phản ứng. Phương pháp này có thể bao gồm việc kết tinh tiền chất của pha dung dịch thông qua quá trình khử hóa học tự phát hoặc các phản ứng khác ở nhiệt độ tương đối ôn hòa. Là đại diện của phương pháp giải pháp, tổng hợp dung môi và tổng hợp thủy nhiệt thường được sử dụng để thu được dây nano SiC ở nhiệt độ thấp.

Vật liệu nano hai chiều có thể được điều chế bằng phương pháp hòa tan, xung laser, khử nhiệt carbon, tẩy da chết cơ học và tăng cường plasma vi sóng.CVD. Hồ và cộng sự. đã nhận ra cấu trúc nano SiC 3D có hình dạng bông hoa dây nano, như trong Hình 4. Ảnh SEM cho thấy cấu trúc giống như bông hoa có đường kính 1-2 μm và chiều dài 3-5 μm.

Hình 4 Ảnh SEM của hoa dây nano SiC ba chiều

Hiệu suất của vật liệu nano SiC

Vật liệu nano SiC là vật liệu gốm tiên tiến có hiệu suất tuyệt vời, có các đặc tính vật lý, hóa học, điện và các tính chất khác tốt.

✔ Tính chất vật lý

Độ cứng cao: Độ cứng vi mô của cacbua nano-silic nằm giữa corundum và kim cương, độ bền cơ học của nó cao hơn corundum. Nó có khả năng chống mài mòn cao và tự bôi trơn tốt.

Độ dẫn nhiệt cao: Cacbua nano-silic có tính dẫn nhiệt tuyệt vời và là vật liệu dẫn nhiệt tuyệt vời.

Hệ số giãn nở nhiệt thấp: Điều này cho phép cacbua nano-silic duy trì kích thước và hình dạng ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.

Diện tích bề mặt riêng cao: Một trong những đặc tính của vật liệu nano, nó có lợi cho việc cải thiện hoạt động bề mặt và hiệu suất phản ứng của nó.

✔ Tính chất hóa học

Độ ổn định hóa học: Cacbua nano-silic có đặc tính hóa học ổn định và có thể duy trì hiệu suất không thay đổi trong các môi trường khác nhau.

Chống oxy hóa: Nó có thể chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao và thể hiện khả năng chịu nhiệt độ cao tuyệt vời.

✔Tính chất điện

Bandgap cao: Bandgap cao làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị điện tử tần số cao, công suất cao và năng lượng thấp.

Độ linh động bão hòa điện tử cao: Có lợi cho việc truyền điện tử nhanh chóng.

✔Các đặc điểm khác

Khả năng chống bức xạ mạnh: Nó có thể duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường bức xạ.

Tính chất cơ học tốt: Nó có các tính chất cơ học tuyệt vời như mô đun đàn hồi cao.

Ứng dụng của vật liệu nano SiC

Thiết bị điện tử và bán dẫn: Do đặc tính điện tử tuyệt vời và độ ổn định ở nhiệt độ cao, cacbua nano-silic được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện điện tử công suất cao, thiết bị tần số cao, linh kiện quang điện tử và các lĩnh vực khác. Đồng thời, nó cũng là một trong những vật liệu lý tưởng để chế tạo các thiết bị bán dẫn.

Ứng dụng quang học: Cacbua nano silic có dải tần rộng và đặc tính quang học tuyệt vời, có thể được sử dụng để sản xuất tia laser, đèn LED, thiết bị quang điện hiệu suất cao, v.v.

Bộ phận cơ khí: Tận dụng độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, cacbua nano-silic có nhiều ứng dụng trong sản xuất các bộ phận cơ khí, chẳng hạn như dụng cụ cắt tốc độ cao, vòng bi, phốt cơ khí, v.v., có thể cải thiện đáng kể độ mài mòn sức đề kháng và tuổi thọ của các bộ phận.

Vật liệu nanocompozit: Nano-silicon cacbua có thể kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành vật liệu nanocompozit nhằm cải thiện tính chất cơ học, tính dẫn nhiệt và khả năng chống ăn mòn của vật liệu. Vật liệu nanocompozit này được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, công nghiệp ô tô, lĩnh vực năng lượng, v.v.

Vật liệu kết cấu nhiệt độ cao: Nanocacbua siliccó độ ổn định nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và có thể được sử dụng trong môi trường nhiệt độ cực cao. Do đó, nó được sử dụng làm vật liệu kết cấu nhiệt độ cao trong ngành hàng không vũ trụ, hóa dầu, luyện kim và các lĩnh vực khác, chẳng hạn như sản xuấtlò nhiệt độ cao, ống lò, lót lò, v.v.

Các ứng dụng khác: Cacbua silic nano cũng được sử dụng trong việc lưu trữ hydro, xúc tác quang học và cảm biến, cho thấy triển vọng ứng dụng rộng rãi.