المواد النانوية من كربيد السيليكون

المواد النانوية من كربيد السيليكون

تشير مواد كربيد السيليكون النانوية (مواد كربيد السيليكون النانوية) إلى المواد المكونة منكربيد السيليكون (SiC)مع بعد واحد على الأقل في مقياس النانومتر (يُعرف عادة بـ 1-100 نانومتر) في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يمكن تصنيف مواد كربيد السيليكون النانوية إلى هياكل صفرية البعد، وأحادية البعد، وثنائية الأبعاد، وثلاثية الأبعاد وفقًا لبنيتها.

الهياكل النانوية صفرية الأبعادهي هياكل تكون جميع أبعادها على مقياس النانومتر، بما في ذلك البلورات النانوية الصلبة، والكرات النانوية المجوفة، والكرات النانوية المجوفة، والكرات النانوية ذات القشرة الأساسية.

الهياكل النانوية أحادية البعدتشير إلى الهياكل التي يقتصر فيها البعدان على مقياس النانومتر في الفضاء ثلاثي الأبعاد. هذا الهيكل له أشكال عديدة، بما في ذلك الأسلاك النانوية (المركز الصلب)، والأنابيب النانوية (المركز المجوف)، والأحزمة النانوية أو الأحزمة النانوية (مقطع عرضي مستطيل ضيق) والموشور النانوي (مقطع عرضي على شكل منشور). أصبح هذا الهيكل محور بحث مكثف بسبب تطبيقاته الفريدة في الفيزياء المجهرية وتصنيع الأجهزة النانوية. على سبيل المثال، يمكن أن تنتشر الموجات الحاملة في الهياكل النانوية أحادية البعد فقط في اتجاه واحد من الهيكل (أي الاتجاه الطولي للأسلاك النانوية أو الأنابيب النانوية)، ويمكن استخدامها كوصلات بينية وأجهزة رئيسية في الإلكترونيات النانوية.

الهياكل النانوية ثنائية الأبعاد، والتي لها بعد واحد فقط على مقياس النانو، وعادةً ما يكون متعامدًا على مستوى طبقتها، مثل أوراق النانو، وأوراق النانو، وأوراق النانو، والكرات النانوية، قد حظيت باهتمام خاص مؤخرًا، ليس فقط من أجل الفهم الأساسي لآلية نموها، ولكن أيضًا لاستكشاف إمكاناتها التطبيقات في بواعث الضوء، وأجهزة الاستشعار، والخلايا الشمسية، وما إلى ذلك.

الهياكل النانوية ثلاثية الأبعادتسمى عادة الهياكل النانوية المعقدة، والتي تتكون من مجموعة واحدة أو أكثر من الوحدات الهيكلية الأساسية ذات البعد الصفري، والأحادي البعد، والثنائي الأبعاد (مثل الأسلاك النانوية أو القضبان النانوية المتصلة بواسطة وصلات بلورية مفردة)، وأبعادها الهندسية الإجمالية تكون على مقياس النانومتر أو الميكرومتر. توفر مثل هذه الهياكل النانوية المعقدة ذات المساحة السطحية العالية لكل وحدة حجم العديد من المزايا، مثل المسارات الضوئية الطويلة لامتصاص الضوء بكفاءة، والنقل السريع للشحنة البينية، وقدرات نقل الشحنة القابلة للضبط. تتيح هذه المزايا للبنى النانوية ثلاثية الأبعاد تطوير التصميم في تطبيقات تحويل وتخزين الطاقة المستقبلية. من الهياكل الصفرية الأبعاد إلى الهياكل ثلاثية الأبعاد، تمت دراسة مجموعة واسعة من المواد النانوية وإدخالها تدريجيًا في الصناعة والحياة اليومية.

طرق تصنيع المواد النانوية SiC

يمكن تصنيع المواد ذات الأبعاد الصفرية بطريقة الذوبان الساخن، وطريقة النقش الكهروكيميائي، وطريقة الانحلال الحراري بالليزر، وما إلى ذلك للحصول علىكربيد السيليكون الصلبتتراوح البلورات النانوية من بضعة نانومترات إلى عشرات النانومترات، ولكنها عادةً ما تكون شبه كروية، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: صور TEM للبلورات النانوية β-SiC المحضرة بطرق مختلفة

(أ) التوليف الحراري[34]؛ (ب) طريقة الحفر الكهروكيميائية[35]؛ (ج) المعالجة الحرارية[48]؛ (د) الانحلال الحراري بالليزر[49]

داسوغ وآخرون. تم تصنيع بلورات نانوية β-SiC كروية بحجم يمكن التحكم فيه وبنية واضحة عن طريق تفاعل التحلل المزدوج للحالة الصلبة بين مساحيق SiO2 وMg وC[55]، كما هو موضح في الشكل 2.

الشكل 2: صور FESEM لبلورات نانوية من كربيد السيليكون الكروية بأقطار مختلفة[55]

(أ) 51.3 ± 5.5 نانومتر؛ (ب) 92.8 ± 6.6 نانومتر؛ (ج) 278.3 ± 8.2 نانومتر

طريقة طور البخار لزراعة أسلاك SiC. يعد تخليق الطور الغازي الطريقة الأكثر نضجًا لتشكيل أسلاك SiC. في عملية نموذجية، يتم إنشاء المواد البخارية المستخدمة كمواد متفاعلة لتكوين المنتج النهائي عن طريق التبخر والاختزال الكيميائي والتفاعل الغازي (الذي يتطلب درجة حرارة عالية). على الرغم من أن ارتفاع درجة الحرارة يزيد من استهلاك الطاقة الإضافي، إلا أن أسلاك SiC المزروعة بهذه الطريقة عادةً ما تتمتع بسلامة بلورية عالية، وأسلاك/أسلاك نانوية شفافة، ومنشورات نانوية، وإبر نانوية، وأنابيب نانوية، وأحزمة نانوية، وكابلات نانوية، وما إلى ذلك، كما هو موضح في الشكل 3.

الشكل 3: التشكلات النموذجية للهياكل النانوية أحادية البعد من SiC 

(أ) صفائف الأسلاك النانوية الموجودة على ألياف الكربون؛ ( ب ) أسلاك متناهية الصغر على كرات Ni-Si؛ (ج) الأسلاك النانوية؛ (د) المنشورات النانوية؛ (هـ) النانو بامبو؛ (و) الإبر النانوية؛ (ز) العظام النانوية؛ (ح) السلاسل النانوية؛ (ط) الأنابيب النانوية

طريقة الحل لتحضير أسلاك SiC. يتم استخدام طريقة الحل لتحضير أسلاك SiC، مما يقلل من درجة حرارة التفاعل. قد تشتمل الطريقة على بلورة سلائف مرحلة المحلول من خلال الاختزال الكيميائي التلقائي أو التفاعلات الأخرى عند درجة حرارة معتدلة نسبيًا. كممثلين لطريقة الحل، تم استخدام التوليف الحراري والتوليف الحراري المائي بشكل شائع للحصول على أسلاك SiC في درجات حرارة منخفضة.

يمكن تحضير المواد النانوية ثنائية الأبعاد بالطرق الحرارية، والليزر النبضي، وتقليل حرارة الكربون، والتقشير الميكانيكي، وتعزيز بلازما الموجات الدقيقة.الأمراض القلبية الوعائية. هو وآخرون. أدركت بنية نانوية ثلاثية الأبعاد من SiC على شكل زهرة أسلاك متناهية الصغر، كما هو موضح في الشكل 4. تُظهر صورة SEM أن الهيكل الشبيه بالزهرة يبلغ قطره 1-2 ميكرومتر وطوله 3-5 ميكرومتر.

الشكل 4: صورة SEM لزهرة أسلاك متناهية الصغر ثلاثية الأبعاد من SiC

أداء المواد النانوية SiC

المواد النانوية SiC هي مادة سيراميكية متقدمة ذات أداء ممتاز، ولها خصائص فيزيائية وكيميائية وكهربائية جيدة وغيرها.

✔ الخصائص الفيزيائية

صلابة عالية: الصلابة الدقيقة لكربيد السيليكون النانوي تقع بين اكسيد الالمونيوم والماس، وقوته الميكانيكية أعلى من قوة اكسيد الالمونيوم. لديها مقاومة عالية للتآكل وتزييت ذاتي جيد.

الموصلية الحرارية العالية: يتمتع كربيد السيليكون النانوي بموصلية حرارية ممتازة وهو مادة موصلة للحرارة ممتازة.

معامل التمدد الحراري المنخفض: يسمح ذلك لكربيد السيليكون النانوي بالحفاظ على حجم وشكل ثابتين في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة.

مساحة سطحية عالية النوعية: إحدى خصائص المواد النانوية، فهي تساعد على تحسين نشاط سطحها وأداء التفاعل.

✔ الخصائص الكيميائية

الاستقرار الكيميائي: يتمتع كربيد السيليكون النانوي بخصائص كيميائية مستقرة ويمكنه الحفاظ على أدائه دون تغيير في بيئات مختلفة.

مضادات الأكسدة: يمكنه مقاومة الأكسدة عند درجات الحرارة العالية ويظهر مقاومة ممتازة لدرجات الحرارة العالية.

✔الخصائص الكهربائية

فجوة النطاق العالية: فجوة النطاق العالية تجعلها مادة مثالية لصنع أجهزة إلكترونية عالية التردد وعالية الطاقة ومنخفضة الطاقة.

حركة تشبع الإلكترون العالية: تساعد على النقل السريع للإلكترونات.

✔خصائص أخرى

مقاومة قوية للإشعاع: يمكنها الحفاظ على أداء مستقر في بيئة الإشعاع.

خواص ميكانيكية جيدة: لها خواص ميكانيكية ممتازة مثل معامل المرونة العالي.

تطبيق المواد النانوية SiC

الأجهزة الإلكترونية وأشباه الموصلات: Due to its excellent electronic properties and high-temperature stability, nano-silicon carbide is widely used in high-power electronic components, high-frequency devices, optoelectronic components and other fields. At the same time, it is also one of the ideal materials for manufacturing semiconductor devices.

التطبيقات البصرية: يتمتع كربيد السيليكون النانوي بفجوة نطاق واسعة وخصائص بصرية ممتازة، ويمكن استخدامه لتصنيع أجهزة ليزر عالية الأداء، ومصابيح LED، والأجهزة الكهروضوئية، وما إلى ذلك.

الأجزاء الميكانيكية: من خلال الاستفادة من صلابته العالية ومقاومته للتآكل، يتمتع كربيد السيليكون النانوي بمجموعة واسعة من التطبيقات في تصنيع الأجزاء الميكانيكية، مثل أدوات القطع عالية السرعة، والمحامل، والأختام الميكانيكية، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تحسن التآكل بشكل كبير المقاومة وعمر الخدمة للأجزاء.

المواد النانوية: يمكن دمج كربيد السيليكون النانوي مع مواد أخرى لتكوين مركبات نانوية لتحسين الخواص الميكانيكية والتوصيل الحراري ومقاومة التآكل للمادة. يتم استخدام هذه المادة المركبة النانوية على نطاق واسع في مجال الطيران وصناعة السيارات ومجال الطاقة وما إلى ذلك.

ارتفاع درجة حرارة المواد الهيكلية: نانوكربيد السيليكونيتمتع بثبات ممتاز في درجات الحرارة العالية ومقاومة للتآكل، ويمكن استخدامه في بيئات درجات الحرارة المرتفعة للغاية. لذلك، يتم استخدامه كمادة هيكلية ذات درجة حرارة عالية في مجال الطيران والبتروكيماويات والمعادن وغيرها من المجالات، مثل التصنيعأفران ذات درجة حرارة عالية, أنابيب الفرن، بطانات الفرن، الخ.

تطبيقات أخرى: يستخدم كربيد السيليكون النانوي أيضًا في تخزين الهيدروجين والتحفيز الضوئي والاستشعار، مما يوضح آفاق التطبيق الواسعة.