Nanomateriali al carburo di silicio

Nanomateriali al carburo di silicio

I nanomateriali al carburo di silicio (nanomateriali SiC) si riferiscono a materiali composti dacarburo di silicio (SiC)con almeno una dimensione su scala nanometrica (solitamente definita come 1-100 nm) nello spazio tridimensionale. I nanomateriali di carburo di silicio possono essere classificati in strutture zero-dimensionali, unidimensionali, bidimensionali e tridimensionali in base alla loro struttura.

Nanostrutture a dimensione zerosono strutture le cui tutte le dimensioni sono su scala nanometrica, comprendendo principalmente nanocristalli solidi, nanosfere cave, nanogabbie cave e nanosfere core-shell.

Nanostrutture unidimensionalisi riferiscono a strutture in cui due dimensioni sono confinate alla scala nanometrica nello spazio tridimensionale. Questa struttura ha molte forme, inclusi nanofili (centro solido), nanotubi (centro cavo), nanonastri o nanonastri (sezione trasversale rettangolare stretta) e nanoprismi (sezione trasversale a forma di prisma). Questa struttura è diventata il fulcro di un'intensa ricerca grazie alle sue applicazioni uniche nella fisica mesoscopica e nella produzione di dispositivi su scala nanometrica. Ad esempio, i portatori nelle nanostrutture unidimensionali possono propagarsi solo in una direzione della struttura (vale a dire, la direzione longitudinale del nanofilo o del nanotubo) e possono essere utilizzati come interconnessioni e dispositivi chiave nella nanoelettronica.

Nanostrutture bidimensionali, che hanno una sola dimensione su scala nanometrica, solitamente perpendicolare al piano del loro strato, come nanosheet, nanosheet, nanosheet e nanosfere, hanno ricevuto recentemente un'attenzione speciale, non solo per la comprensione di base del loro meccanismo di crescita, ma anche per esplorarne il potenziale applicazioni in emettitori di luce, sensori, celle solari, ecc.

Nanostrutture tridimensionalisono solitamente chiamate nanostrutture complesse, che sono formate da un insieme di una o più unità strutturali di base a dimensione zero, unidimensionale e bidimensionale (come nanofili o nanobarre collegate da giunzioni monocristalline) e le loro dimensioni geometriche complessive sono su scala nanometrica o micrometrica. Tali nanostrutture complesse con elevata area superficiale per unità di volume offrono molti vantaggi, come lunghi percorsi ottici per un efficiente assorbimento della luce, rapido trasferimento di carica interfacciale e capacità di trasporto di carica sintonizzabili. Questi vantaggi consentono alle nanostrutture tridimensionali di far progredire la progettazione nelle future applicazioni di conversione e stoccaggio dell’energia. Dalle strutture 0D a quelle 3D, un'ampia varietà di nanomateriali è stata studiata e gradualmente introdotta nell'industria e nella vita quotidiana.

Metodi di sintesi di nanomateriali SiC

I materiali a dimensione zero possono essere sintetizzati mediante il metodo hot melt, il metodo di incisione elettrochimica, il metodo di pirolisi laser, ecc. per ottenereSiC solidonanocristalli che vanno da pochi nanometri a decine di nanometri, ma solitamente sono pseudo-sferici, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1 Immagini TEM di nanocristalli β-SiC preparati con metodi diversi

(a) Sintesi solvotermica[34]; (B) Metodo di attacco elettrochimico[35]; c) trattamento termico[48]; (d) Pirolisi laser[49]

Dasog et al. nanocristalli β-SiC sferici sintetizzati con dimensioni controllabili e struttura chiara mediante reazione di doppia decomposizione allo stato solido tra polveri di SiO2, Mg e C[55], come mostrato nella Figura 2.

Figura 2 Immagini FESEM di nanocristalli SiC sferici con diversi diametri[55]

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

Metodo in fase vapore per la crescita di nanofili SiC. La sintesi in fase gassosa è il metodo più maturo per formare nanofili SiC. In un processo tipico, le sostanze vapori utilizzate come reagenti per formare il prodotto finale vengono generate mediante evaporazione, riduzione chimica e reazione gassosa (che richiede alta temperatura). Sebbene l'elevata temperatura aumenti il ​​consumo di energia aggiuntivo, i nanofili SiC cresciuti con questo metodo di solito hanno un'elevata integrità cristallina, nanofili/nanorodi trasparenti, nanoprismi, nanoaghi, nanotubi, nanonastri, nanocavi, ecc., come mostrato nella Figura 3.

Figura 3 Morfologie tipiche di nanostrutture SiC unidimensionali 

(a) Array di nanofili su fibre di carbonio; (b) Nanofili ultralunghi su sfere Ni-Si; (c) Nanofili; (d) Nanoprismi; (e) nanobambù; (f) Nanoaghi; (g) Nanoossa; (h) Nanocatene; (i) Nanotubi

Metodo in soluzione per la preparazione di nanofili SiC. Il metodo della soluzione viene utilizzato per preparare nanofili SiC, che riduce la temperatura di reazione. Il metodo può includere la cristallizzazione di un precursore della fase di soluzione attraverso riduzione chimica spontanea o altre reazioni a una temperatura relativamente mite. Come rappresentanti del metodo di soluzione, la sintesi solvotermica e la sintesi idrotermale sono state comunemente utilizzate per ottenere nanofili SiC a basse temperature.

I nanomateriali bidimensionali possono essere preparati mediante metodi solvotermici, laser pulsati, riduzione termica del carbonio, esfoliazione meccanica e plasma a microonde potenziatoCVD. Ho et al. ha realizzato una nanostruttura SiC 3D a forma di fiore di nanofili, come mostrato nella Figura 4. L'immagine SEM mostra che la struttura a fiore ha un diametro di 1-2 μm e una lunghezza di 3-5 μm.

Figura 4 Immagine SEM di un fiore tridimensionale di nanofili SiC

Prestazioni dei nanomateriali SiC

I nanomateriali SiC sono un materiale ceramico avanzato con prestazioni eccellenti, che ha buone proprietà fisiche, chimiche, elettriche e di altro tipo.

✔ Proprietà fisiche

Elevata durezza: la microdurezza del nanocarburo di silicio è tra il corindone e il diamante e la sua resistenza meccanica è superiore a quella del corindone. Ha un'elevata resistenza all'usura e una buona autolubrificazione.

Elevata conduttività termica: il nano-carburo di silicio ha un'eccellente conduttività termica ed è un eccellente materiale conduttivo termico.

Basso coefficiente di espansione termica: ciò consente al nano-carburo di silicio di mantenere dimensioni e forma stabili in condizioni di alta temperatura.

Area superficiale specifica elevata: una delle caratteristiche dei nanomateriali, favorisce il miglioramento dell'attività superficiale e delle prestazioni di reazione.

✔ Proprietà chimiche

Stabilità chimica: il nano-carburo di silicio ha proprietà chimiche stabili e può mantenere invariate le sue prestazioni in vari ambienti.

Antiossidante: può resistere all'ossidazione alle alte temperature e presenta un'eccellente resistenza alle alte temperature.

✔Proprietà elettriche

Banda proibita elevata: la banda proibita elevata lo rende un materiale ideale per realizzare dispositivi elettronici ad alta frequenza, alta potenza e a basso consumo energetico.

Elevata mobilità della saturazione degli elettroni: favorisce la rapida trasmissione degli elettroni.

✔Altre caratteristiche

Forte resistenza alle radiazioni: può mantenere prestazioni stabili in un ambiente ricco di radiazioni.

Buone proprietà meccaniche: ha eccellenti proprietà meccaniche come un elevato modulo elastico.

Applicazione dei nanomateriali SiC

Dispositivi elettronici e semiconduttori: Grazie alle sue eccellenti proprietà elettroniche e alla stabilità alle alte temperature, il nano-carburo di silicio è ampiamente utilizzato in componenti elettronici ad alta potenza, dispositivi ad alta frequenza, componenti optoelettronici e altri campi. Allo stesso tempo è anche uno dei materiali ideali per la produzione di dispositivi a semiconduttore.

Applicazioni ottiche: Il nanocarburo di silicio ha un ampio intervallo di banda ed eccellenti proprietà ottiche e può essere utilizzato per produrre laser, LED, dispositivi fotovoltaici, ecc. ad alte prestazioni.

Parti meccaniche: Sfruttando la sua elevata durezza e resistenza all'usura, il nano-carburo di silicio ha un'ampia gamma di applicazioni nella produzione di parti meccaniche, come utensili da taglio ad alta velocità, cuscinetti, tenute meccaniche, ecc., che possono migliorare notevolmente l'usura resistenza e durata delle parti.

Materiali nanocompositi: Il nano-carburo di silicio può essere combinato con altri materiali per formare nanocompositi per migliorare le proprietà meccaniche, la conduttività termica e la resistenza alla corrosione del materiale. Questo materiale nanocomposito è ampiamente utilizzato nell'industria aerospaziale, automobilistica, nel campo energetico, ecc.

Materiali strutturali ad alta temperatura: Nanocarburo di silicioha un'eccellente stabilità alle alte temperature e resistenza alla corrosione e può essere utilizzato in ambienti con temperature estremamente elevate. Pertanto, viene utilizzato come materiale strutturale ad alta temperatura nel settore aerospaziale, petrolchimico, metallurgico e in altri campi, come la produzioneforni ad alta temperatura, tubi del forno, rivestimenti di forni, ecc.

Altre applicazioni: Il nanocarburo di silicio viene utilizzato anche nello stoccaggio dell'idrogeno, nella fotocatalisi e nel rilevamento, mostrando ampie prospettive di applicazione.