نانومواد کاربید سیلیکون

نانومواد کاربید سیلیکون

نانومواد کاربید سیلیکون (نانومواد SiC) به مواد تشکیل شده ازکاربید سیلیکون (SiC) with at least one dimension in the nanometer scale (usually defined as 1-100nm) in three-dimensional space. Silicon carbide nanomaterials can be classified into zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional structures according to their structure.

نانوساختارهای صفر بعدیساختارهایی هستند که تمام ابعاد آنها در مقیاس نانومتری است که عمدتاً شامل نانو کریستال های جامد، نانوکره های توخالی، نانوقفس های توخالی و نانوکره های پوسته هسته هستند.

نانوساختارهای یک بعدیبه سازه هایی اطلاق می شود که در آنها دو بعد در مقیاس نانومتری در فضای سه بعدی محدود می شود. این ساختار دارای اشکال مختلفی از جمله نانوسیم (مرکز جامد)، نانولوله (مرکز توخالی)، نانوتسمه یا نانوتسمه (مقطع مستطیلی باریک) و نانو منشور (مقطع منشور شکل) است. این ساختار به دلیل کاربردهای منحصربه‌فرد آن در فیزیک مزوسکوپی و ساخت دستگاه‌های نانومقیاس به کانون تحقیقات فشرده تبدیل شده است. به عنوان مثال، حامل‌ها در نانوساختارهای تک بعدی فقط می‌توانند در یک جهت از ساختار (یعنی جهت طولی نانوسیم یا نانولوله) منتشر شوند و می‌توانند به‌عنوان اتصالات و وسایل کلیدی در نانوالکترونیک استفاده شوند.

نانوساختارهای دو بعدیکه فقط یک بعد در مقیاس نانو دارند، معمولاً عمود بر صفحه لایه خود، مانند نانوصفحات، نانوصفحات، نانوصفحات و نانوکره‌ها، اخیراً نه تنها به دلیل درک اولیه مکانیسم رشد، بلکه برای کشف پتانسیل آنها مورد توجه ویژه قرار گرفته‌اند. کاربرد در ساطع کننده های نور، حسگرها، سلول های خورشیدی و غیره

نانوساختارهای سه بعدیمعمولاً نانوساختارهای پیچیده نامیده می‌شوند که از مجموعه‌ای از یک یا چند واحد ساختاری پایه صفر، یک‌بعدی و دو بعدی (مانند نانوسیم‌ها یا نانومیله‌هایی که با اتصالات تک بلوری به هم متصل می‌شوند) و ابعاد هندسی کلی آنها تشکیل می‌شوند. در مقیاس نانومتر یا میکرومتر هستند. چنین نانوساختارهای پیچیده ای با مساحت سطح بالا در واحد حجم، مزایای زیادی مانند مسیرهای نوری طولانی برای جذب نور کارآمد، انتقال سریع بار بین سطحی و قابلیت های انتقال بار قابل تنظیم را ارائه می دهند. این مزایا نانوساختارهای سه‌بعدی را قادر می‌سازد تا طراحی را در کاربردهای تبدیل و ذخیره‌سازی انرژی آینده پیش ببرند. از ساختارهای 0 بعدی تا سه بعدی، طیف گسترده ای از نانومواد مورد مطالعه قرار گرفته و به تدریج وارد صنعت و زندگی روزمره شده اند.

روش های سنتز نانومواد SiC

مواد صفر بعدی را می توان با روش ذوب داغ، روش اچ الکتروشیمیایی، روش پیرولیز لیزری و غیره سنتز کرد.جامد SiCنانوکریستال‌ها از چند نانومتر تا ده‌ها نانومتر، اما معمولاً شبه کروی هستند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل 1 تصاویر TEM از نانوبلورهای β-SiC تهیه شده با روش های مختلف

(الف) سنتز Solvothermal [34]؛ (ب) روش اچ الکتروشیمیایی[35]. ج) پردازش حرارتی[48]؛ (د) پیرولیز لیزری[49]

داسوگ و همکاران نانوبلورهای کروی β-SiC سنتز شده با اندازه قابل کنترل و ساختار شفاف توسط واکنش تجزیه مضاعف حالت جامد بین پودرهای SiO2، Mg و C [55]، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2 تصاویر FESEM از نانوبلورهای کروی SiC با قطرهای مختلف[55]

(الف) 5.5 ± 51.3 نانومتر. (B) 6.6 ± 92.8 نانومتر. (ج) 278.3 ± 8.2 نانومتر

روش فاز بخار برای رشد نانوسیم‌های SiC سنتز فاز گازی بالغ ترین روش برای تشکیل نانوسیم های SiC است. در یک فرآیند معمولی، مواد بخار که به عنوان واکنش دهنده برای تشکیل محصول نهایی استفاده می شوند، توسط تبخیر، احیای شیمیایی و واکنش گازی (که نیاز به دمای بالا دارند) تولید می شوند. اگرچه دمای بالا مصرف انرژی اضافی را افزایش می‌دهد، نانوسیم‌های SiC که با این روش رشد می‌کنند معمولاً دارای یکپارچگی کریستالی بالا، نانوسیم‌ها/نانومیله‌های شفاف، نانو منشورها، نانوسوزن‌ها، نانولوله‌ها، نانوتسمه‌ها، نانوکابل‌ها و غیره هستند که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3 مورفولوژی های معمولی نانوساختارهای SiC یک بعدی 

(الف) آرایه های نانوسیم روی الیاف کربن. (ب) نانوسیم‌های فوق‌العاده بلند روی توپ‌های Ni-Si. (ج) نانوسیم ها. (د) نانو منشورها. (ه) نانوبامبو؛ (و) نانوسوزنها. (ز) نانو استخوان ها. (ح) نانوزنجیره؛ (i) نانولوله ها

روش حل برای تهیه نانوسیم های SiC. از روش محلول برای تهیه نانوسیم های SiC استفاده می شود که باعث کاهش دمای واکنش می شود. این روش ممکن است شامل تبلور یک پیش ماده فاز محلول از طریق احیای شیمیایی خود به خود یا سایر واکنش ها در دمای نسبتاً ملایم باشد. به عنوان نمایندگان روش محلول، سنتز solvothermal و سنتز هیدروترمال معمولاً برای به دست آوردن نانوسیم‌های SiC در دماهای پایین استفاده می‌شوند.

نانومواد دو بعدی را می توان با روش های حلال گرمایی، لیزرهای پالسی، احیای حرارتی کربن، لایه برداری مکانیکی و افزایش پلاسمای مایکروویو تهیه کرد.CVD. هو و همکاران همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، یک نانوساختار SiC سه بعدی به شکل یک گل نانوسیمی، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، نشان داد.

شکل 4 تصویر SEM از یک گل نانوسیم سه بعدی SiC

عملکرد نانومواد SiC

نانومواد SiC یک ماده سرامیکی پیشرفته با عملکرد عالی است که خواص فیزیکی، شیمیایی، الکتریکی و غیره خوبی دارد.

✔ خواص فیزیکی

سختی بالا: ریزسختی کاربید نانو سیلیکون بین کوراندوم و الماس است و استحکام مکانیکی آن بیشتر از کوراندوم است. مقاومت در برابر سایش بالا و روانکاری خوبی دارد.

رسانایی حرارتی بالا: کاربید نانو سیلیکون رسانایی حرارتی عالی دارد و یک ماده رسانای حرارتی عالی است.

ضریب انبساط حرارتی پایین: این کاربید نانوسیلیکون اجازه می دهد تا اندازه و شکل خود را در شرایط دمای بالا حفظ کند.

سطح ویژه بالا: یکی از ویژگی های نانومواد، مساعد بودن برای بهبود فعالیت سطحی و عملکرد واکنش است.

✔ خواص شیمیایی

پایداری شیمیایی: نانو سیلیکون کاربید دارای خواص شیمیایی پایدار است و می تواند عملکرد خود را بدون تغییر در محیط های مختلف حفظ کند.

آنتی اکسیداسیون: می تواند در برابر اکسیداسیون در دماهای بالا مقاومت کند و مقاومت عالی در دمای بالا نشان می دهد.

✔خواص الکتریکی

فاصله باند بالا: فاصله باند بالا آن را به یک ماده ایده آل برای ساخت دستگاه های الکترونیکی با فرکانس بالا، پرقدرت و کم انرژی تبدیل می کند.

تحرک اشباع الکترون بالا: برای انتقال سریع الکترون ها مساعد است.

✔سایر خصوصیات

مقاومت در برابر تشعشع قوی: می تواند عملکرد پایدار را در یک محیط تابش حفظ کند.

خواص مکانیکی خوب: دارای خواص مکانیکی عالی مانند مدول الاستیک بالا است.

کاربرد نانومواد SiC

دستگاه های الکترونیکی و نیمه هادی: به دلیل خواص عالی الکترونیکی و پایداری در دمای بالا، نانو کاربید سیلیکون به طور گسترده در قطعات الکترونیکی پرقدرت، دستگاه های فرکانس بالا، قطعات الکترونیک نوری و سایر زمینه ها استفاده می شود. در عین حال، یکی از مواد ایده آل برای ساخت دستگاه های نیمه هادی نیز می باشد.

برنامه های کاربردی نوری: کاربید نانو سیلیکون دارای شکاف باند وسیع و خواص نوری عالی است و می توان از آن برای ساخت لیزرهای با کارایی بالا، LED، دستگاه های فتوولتائیک و غیره استفاده کرد.

قطعات مکانیکی: نانو سیلیکون کاربید با بهره گیری از سختی و مقاومت در برابر سایش، کاربردهای گسترده ای در ساخت قطعات مکانیکی مانند ابزارهای برش پرسرعت، بلبرینگ ها، سیل های مکانیکی و غیره دارد که می تواند سایش را تا حد زیادی بهبود بخشد. مقاومت و عمر مفید قطعات

مواد نانوکامپوزیتنانو سیلیکون کاربید را می توان با مواد دیگر ترکیب کرد تا نانوکامپوزیت ها را برای بهبود خواص مکانیکی، هدایت حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی مواد تشکیل دهد. این ماده نانوکامپوزیت به طور گسترده در صنایع هوافضا، خودروسازی، حوزه انرژی و غیره استفاده می شود.

مواد ساختاری با دمای بالا: نانوکاربید سیلیکوندارای پایداری در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی است و می تواند در محیط های با دمای بسیار بالا استفاده شود. بنابراین، از آن به عنوان یک ماده ساختاری با دمای بالا در هوافضا، پتروشیمی، متالورژی و سایر زمینه ها مانند ساخت و ساز استفاده می شود.کوره های با دمای بالا, لوله های کوره، آسترهای کوره و غیره

برنامه های کاربردی دیگر: نانو سیلیکون کاربید همچنین در ذخیره سازی هیدروژن، فوتوکاتالیز و سنجش استفاده می شود که چشم انداز کاربرد گسترده ای را نشان می دهد.