Bahan nano silikon karbida

Bahan nano silikon karbida

Bahan nano silikon karbida (bahan nano SiC) mengacu pada bahan yang tersusun darisilikon karbida (SiC)dengan setidaknya satu dimensi dalam skala nanometer (biasanya didefinisikan sebagai 1-100nm) dalam ruang tiga dimensi. Bahan nano silikon karbida dapat diklasifikasikan menjadi struktur nol dimensi, satu dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi menurut strukturnya.

Struktur nano dimensi noladalah struktur yang semua dimensinya berada pada skala nanometer, terutama termasuk nanokristal padat, nanosfer berongga, nanocage berongga, dan nanosfer cangkang inti.

Struktur nano satu dimensimengacu pada struktur di mana dua dimensi dibatasi pada skala nanometer dalam ruang tiga dimensi. Struktur ini memiliki banyak bentuk, antara lain kawat nano (pusat padat), tabung nano (pusat berongga), sabuk nano atau sabuk nano (penampang persegi panjang sempit) dan nanoprisma (penampang berbentuk prisma). Struktur ini telah menjadi fokus penelitian intensif karena aplikasi uniknya dalam fisika mesoskopik dan manufaktur perangkat skala nano. Misalnya, pembawa dalam struktur nano satu dimensi hanya dapat merambat dalam satu arah struktur (yaitu, arah memanjang dari kawat nano atau tabung nano), dan dapat digunakan sebagai interkoneksi dan perangkat kunci dalam nanoelektronik.

Struktur nano dua dimensi, yang hanya memiliki satu dimensi pada skala nano, biasanya tegak lurus terhadap bidang lapisannya, seperti nanosheet, nanosheet, nanosheet, dan nanosfer, baru-baru ini mendapat perhatian khusus, tidak hanya untuk pemahaman dasar mekanisme pertumbuhannya, namun juga untuk mengeksplorasi potensinya. aplikasi dalam pemancar cahaya, sensor, sel surya, dll.

Struktur nano tiga dimensibiasanya disebut struktur nano kompleks, yang dibentuk oleh kumpulan satu atau lebih unit struktur dasar dalam dimensi nol, satu dimensi, dan dua dimensi (seperti kawat nano atau batang nano yang dihubungkan oleh sambungan kristal tunggal), dan keseluruhan dimensi geometrisnya berada pada skala nanometer atau mikrometer. Struktur nano kompleks dengan luas permukaan per satuan volume yang tinggi memberikan banyak keuntungan, seperti jalur optik yang panjang untuk penyerapan cahaya yang efisien, transfer muatan antar muka yang cepat, dan kemampuan pengangkutan muatan yang dapat diatur. Keunggulan ini memungkinkan struktur nano tiga dimensi untuk memajukan desain dalam aplikasi konversi dan penyimpanan energi di masa depan. Dari struktur 0D hingga 3D, beragam bahan nano telah dipelajari dan secara bertahap diperkenalkan ke dalam industri dan kehidupan sehari-hari.

Metode sintesis bahan nano SiC

Bahan berdimensi nol dapat disintesis dengan metode peleburan panas, metode etsa elektrokimia, metode pirolisis laser, dll.SiC padatnanokristal mulai dari beberapa nanometer hingga puluhan nanometer, tetapi biasanya berbentuk bola semu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Gambar TEM nanokristal β-SiC dibuat dengan metode berbeda

(a) Sintesis solvotermal [34]; (B) Metode etsa elektrokimia [35]; (c) Pemrosesan termal[48]; (d) Pirolisis laser[49]

Dasog dkk. nanokristal β-SiC bulat yang disintesis dengan ukuran yang dapat dikontrol dan struktur jernih melalui reaksi dekomposisi ganda keadaan padat antara bubuk SiO2, Mg dan C [55], seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Gambar FESEM nanokristal SiC bulat dengan diameter berbeda [55]

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

Metode fase uap untuk menumbuhkan kawat nano SiC. Sintesis fase gas adalah metode paling matang untuk membentuk kawat nano SiC. Dalam proses yang khas, zat uap yang digunakan sebagai reaktan untuk membentuk produk akhir dihasilkan melalui penguapan, reduksi kimia, dan reaksi gas (memerlukan suhu tinggi). Meskipun suhu tinggi meningkatkan konsumsi energi tambahan, kawat nano SiC yang ditumbuhkan dengan metode ini biasanya memiliki integritas kristal yang tinggi, kawat nano/nanorod yang jernih, nanoprisma, jarum nano, tabung nano, sabuk nano, kabel nano, dll., seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3 Morfologi khas struktur nano SiC satu dimensi 

(a) Susunan kawat nano pada serat karbon; (b) Kawat nano ultra panjang pada bola Ni-Si; (c) Kawat nano; (d) Nanoprisma; (e) bambu nano; (f) Jarum nano; (g) Tulang Nano; (h) Rantai Nano; (i) Tabung nano

Metode solusi untuk persiapan kawat nano SiC. Metode larutan digunakan untuk menyiapkan kawat nano SiC, yang mengurangi suhu reaksi. Metode ini dapat mencakup pengkristalan prekursor fase larutan melalui reduksi kimia spontan atau reaksi lain pada suhu yang relatif ringan. Sebagai perwakilan dari metode larutan, sintesis solvotermal dan sintesis hidrotermal telah umum digunakan untuk memperoleh kawat nano SiC pada suhu rendah.

Bahan nano dua dimensi dapat dibuat dengan metode solvotermal, laser berdenyut, reduksi termal karbon, pengelupasan kulit mekanis, dan peningkatan plasma gelombang mikro.CVD. Ho dkk. merealisasikan struktur nano SiC 3D berbentuk bunga kawat nano, seperti terlihat pada Gambar 4. Gambar SEM menunjukkan bahwa struktur mirip bunga tersebut memiliki diameter 1-2 μm dan panjang 3-5 μm.

Gambar 4 Gambar SEM bunga kawat nano SiC tiga dimensi

Kinerja bahan nano SiC

Bahan nano SiC merupakan bahan keramik canggih dengan kinerja luar biasa, yang memiliki sifat fisik, kimia, listrik, dan lainnya yang baik.

✔ Sifat fisik

Kekerasan tinggi: Kekerasan mikro nano-silikon karbida berada di antara korundum dan berlian, dan kekuatan mekaniknya lebih tinggi daripada korundum. Ini memiliki ketahanan aus yang tinggi dan pelumasan sendiri yang baik.

Konduktivitas termal yang tinggi: Nano-silikon karbida memiliki konduktivitas termal yang sangat baik dan merupakan bahan konduktif termal yang sangat baik.

Koefisien ekspansi termal rendah: Hal ini memungkinkan nano-silikon karbida mempertahankan ukuran dan bentuk yang stabil dalam kondisi suhu tinggi.

Luas permukaan spesifik yang tinggi: Salah satu karakteristik bahan nano adalah kondusif untuk meningkatkan aktivitas permukaan dan kinerja reaksinya.

✔ Sifat kimia

Stabilitas kimia: Nano-silikon karbida memiliki sifat kimia yang stabil dan dapat mempertahankan kinerjanya tidak berubah di berbagai lingkungan.

Antioksidasi: Dapat menahan oksidasi pada suhu tinggi dan menunjukkan ketahanan suhu tinggi yang sangat baik.

✔Sifat listrik

Celah pita yang tinggi: Celah pita yang tinggi menjadikannya bahan yang ideal untuk membuat perangkat elektronik berfrekuensi tinggi, berdaya tinggi, dan berenergi rendah.

Mobilitas saturasi elektron yang tinggi: Hal ini kondusif untuk transmisi elektron yang cepat.

✔Karakteristik lainnya

Resistensi radiasi yang kuat: Dapat mempertahankan kinerja yang stabil di lingkungan radiasi.

Sifat mekanik yang baik: Memiliki sifat mekanik yang sangat baik seperti modulus elastisitas yang tinggi.

Penerapan bahan nano SiC

Perangkat elektronik dan semikonduktor: Karena sifat elektroniknya yang sangat baik dan stabilitas suhu tinggi, nano-silikon karbida banyak digunakan dalam komponen elektronik berdaya tinggi, perangkat frekuensi tinggi, komponen optoelektronik, dan bidang lainnya. Pada saat yang sama, ini juga merupakan salah satu bahan yang ideal untuk pembuatan perangkat semikonduktor.

Aplikasi optik: Nano-silikon karbida memiliki celah pita yang lebar dan sifat optik yang sangat baik, dan dapat digunakan untuk memproduksi laser, LED, perangkat fotovoltaik berkinerja tinggi, dll.

Bagian mekanis: Memanfaatkan kekerasan dan ketahanan ausnya yang tinggi, nano-silikon karbida memiliki beragam aplikasi dalam pembuatan suku cadang mekanis, seperti perkakas pemotong berkecepatan tinggi, bantalan, segel mekanis, dll., yang dapat sangat meningkatkan keausan ketahanan dan masa pakai suku cadang.

Bahan nanokomposit: Nano-silikon karbida dapat dikombinasikan dengan bahan lain untuk membentuk nanokomposit untuk meningkatkan sifat mekanik, konduktivitas termal, dan ketahanan korosi bahan. Bahan nanokomposit ini banyak digunakan di bidang luar angkasa, industri otomotif, bidang energi, dll.

Bahan struktural suhu tinggi: Nanosilikon karbidamemiliki stabilitas suhu tinggi dan ketahanan korosi yang sangat baik, dan dapat digunakan di lingkungan bersuhu tinggi yang ekstrim. Oleh karena itu, digunakan sebagai bahan struktur suhu tinggi di bidang kedirgantaraan, petrokimia, metalurgi dan bidang lainnya, seperti manufaktur.tungku suhu tinggi, tabung tungku, lapisan tungku, dll.

Aplikasi lainnya: Nanosilikon karbida juga digunakan dalam penyimpanan hidrogen, fotokatalisis dan penginderaan, menunjukkan prospek aplikasi yang luas.