Nanomatériaux de carbure de silicium

Nanomatériaux de carbure de silicium

Les nanomatériaux de carbure de silicium (nanomatériaux SiC) font référence à des matériaux composés decarbure de silicium (SiC)avec au moins une dimension à l’échelle nanométrique (généralement définie comme 1-100 nm) dans un espace tridimensionnel. Les nanomatériaux de carbure de silicium peuvent être classés en structures zéro dimensionnelle, unidimensionnelle, bidimensionnelle et tridimensionnelle selon leur structure.

Nanostructures zéro dimensionsont des structures dont toutes les dimensions sont à l'échelle nanométrique, comprenant principalement des nanocristaux solides, des nanosphères creuses, des nanocages creuses et des nanosphères cœur-coquille.

Nanostructures unidimensionnellesfaire référence à des structures dans lesquelles deux dimensions sont confinées à l'échelle nanométrique dans un espace tridimensionnel. Cette structure se présente sous de nombreuses formes, notamment des nanofils (centre plein), des nanotubes (centre creux), des nanoceintures ou nanoceintures (section transversale rectangulaire étroite) et des nanoprismes (section transversale en forme de prisme). Cette structure est devenue l’objet de recherches intensives en raison de ses applications uniques en physique mésoscopique et en fabrication de dispositifs à l’échelle nanométrique. Par exemple, les porteurs dans des nanostructures unidimensionnelles ne peuvent se propager que dans une seule direction de la structure (c'est-à-dire la direction longitudinale du nanofil ou du nanotube) et peuvent être utilisés comme interconnexions et dispositifs clés en nanoélectronique.

Nanostructures bidimensionnelles, qui n'ont qu'une seule dimension à l'échelle nanométrique, généralement perpendiculaire au plan de leur couche, comme les nanofeuillets, les nanofeuillets, les nanofeuillets et les nanosphères, ont récemment fait l'objet d'une attention particulière, non seulement pour la compréhension fondamentale de leur mécanisme de croissance, mais également pour l'exploration de leur potentiel. applications dans les émetteurs de lumière, les capteurs, les cellules solaires, etc.

Nanostructures tridimensionnellessont généralement appelées nanostructures complexes, qui sont formées par un ensemble d'une ou plusieurs unités structurelles de base en dimension zéro, unidimensionnelle et bidimensionnelle (telles que des nanofils ou des nanotiges reliées par des jonctions monocristallines) et leurs dimensions géométriques globales. sont à l’échelle nanométrique ou micrométrique. De telles nanostructures complexes avec une surface spécifique élevée par unité de volume offrent de nombreux avantages, tels que de longs chemins optiques pour une absorption efficace de la lumière, un transfert de charge interfacial rapide et des capacités de transport de charge réglables. Ces avantages permettent aux nanostructures tridimensionnelles de faire progresser la conception des futures applications de conversion et de stockage d’énergie. Des structures 0D aux structures 3D, une grande variété de nanomatériaux ont été étudiés et progressivement introduits dans l’industrie et la vie quotidienne.

Méthodes de synthèse de nanomatériaux SiC

Les matériaux zéro dimension peuvent être synthétisés par méthode thermofusible, méthode de gravure électrochimique, méthode de pyrolyse laser, etc. pour obtenirSiC solidenanocristaux allant de quelques nanomètres à des dizaines de nanomètres, mais sont généralement pseudo-sphériques, comme le montre la figure 1.

Figure 1 Images TEM de nanocristaux β-SiC préparés par différentes méthodes

(a) Synthèse solvothermique[34] ; (B) Méthode de gravure électrochimique[35] ; c) Traitement thermique[48] ; d) Pyrolyse laser[49]

Dasog et coll. nanocristaux sphériques de β-SiC synthétisés avec une taille contrôlable et une structure claire par réaction de double décomposition à l'état solide entre des poudres de SiO2, Mg et C [55], comme le montre la figure 2.

Figure 2 Images FESEM de nanocristaux de SiC sphériques de différents diamètres[55]

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

Méthode en phase vapeur pour la croissance de nanofils de SiC. La synthèse en phase gazeuse est la méthode la plus aboutie pour former des nanofils de SiC. Dans un processus typique, les substances vapeurs utilisées comme réactifs pour former le produit final sont générées par évaporation, réduction chimique et réaction gazeuse (nécessitant une température élevée). Bien que la température élevée augmente la consommation d'énergie supplémentaire, les nanofils de SiC développés par cette méthode ont généralement une intégrité cristalline élevée, des nanofils/nanotiges transparents, des nanoprismes, des nanoaiguilles, des nanotubes, des nanoceintures, des nanocâbles, etc., comme le montre la figure 3.

Figure 3 Morphologies typiques des nanostructures SiC unidimensionnelles 

(a) Réseaux de nanofils sur fibres de carbone ; (b) Nanofils ultralongs sur billes Ni-Si ; (c) Nanofils ; (d) Nanoprismes ; (e) Nanobambou ; (f) Nanoaiguilles ; (g) Nanoosses ; (h) Nanochaînes ; (i) Nanotubes

Méthode de solution pour la préparation de nanofils de SiC. La méthode de solution est utilisée pour préparer des nanofils de SiC, ce qui réduit la température de réaction. Le procédé peut comprendre la cristallisation d'un précurseur en phase solution par réduction chimique spontanée ou d'autres réactions à une température relativement douce. En tant que représentants de la méthode de solution, la synthèse solvothermique et la synthèse hydrothermale ont été couramment utilisées pour obtenir des nanofils de SiC à basse température.

Les nanomatériaux bidimensionnels peuvent être préparés par des méthodes solvothermiques, des lasers pulsés, une réduction thermique du carbone, une exfoliation mécanique et un plasma micro-ondes amélioré.MCV. Ho et coll. réalisé une nanostructure SiC 3D en forme de fleur de nanofil, comme le montre la figure 4. L'image SEM montre que la structure en forme de fleur a un diamètre de 1 à 2 μm et une longueur de 3 à 5 μm.

Figure 4 Image SEM d'une fleur tridimensionnelle de nanofils SiC

Performances des nanomatériaux SiC

Les nanomatériaux SiC sont un matériau céramique avancé doté d'excellentes performances, qui possède de bonnes propriétés physiques, chimiques, électriques et autres.

✔ Propriétés physiques

Haute dureté : la microdureté du nano-carbure de silicium se situe entre le corindon et le diamant, et sa résistance mécanique est supérieure à celle du corindon. Il présente une résistance élevée à l’usure et une bonne autolubrification.

Conductivité thermique élevée : le carbure de nano-silicium a une excellente conductivité thermique et constitue un excellent matériau conducteur thermique.

Faible coefficient de dilatation thermique : cela permet au carbure de nano-silicium de conserver une taille et une forme stables dans des conditions de température élevée.

Surface spécifique élevée : Une des caractéristiques des nanomatériaux, elle est propice à l’amélioration de son activité de surface et de ses performances de réaction.

✔ Propriétés chimiques

Stabilité chimique : le carbure de nano-silicium a des propriétés chimiques stables et peut maintenir ses performances inchangées dans divers environnements.

Antioxydation : il peut résister à l’oxydation à haute température et présente une excellente résistance aux hautes températures.

✔Propriétés électriques

Bande interdite élevée : La bande interdite élevée en fait un matériau idéal pour fabriquer des appareils électroniques à haute fréquence, haute puissance et basse consommation.

Mobilité à saturation élevée des électrons : elle est propice à la transmission rapide des électrons.

✔Autres caractéristiques

Forte résistance aux radiations : il peut maintenir des performances stables dans un environnement de radiation.

Bonnes propriétés mécaniques : Il possède d'excellentes propriétés mécaniques telles qu'un module d'élasticité élevé.

Application des nanomatériaux SiC

Appareils électroniques et semi-conducteurs: En raison de ses excellentes propriétés électroniques et de sa stabilité à haute température, le carbure de nano-silicium est largement utilisé dans les composants électroniques de haute puissance, les dispositifs haute fréquence, les composants optoélectroniques et d'autres domaines. Dans le même temps, c’est également l’un des matériaux idéaux pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs.

Applications optiques: Le nanocarbure de silicium possède une large bande interdite et d'excellentes propriétés optiques, et peut être utilisé pour fabriquer des lasers, des LED, des dispositifs photovoltaïques hautes performances, etc.

Pièces mécaniques: Profitant de sa dureté et de sa résistance à l'usure élevées, le carbure de nano-silicium a une large gamme d'applications dans la fabrication de pièces mécaniques, telles que des outils de coupe à grande vitesse, des roulements, des garnitures mécaniques, etc., ce qui peut grandement améliorer l'usure. résistance et durée de vie des pièces.

Matériaux nanocomposites: Le nano-carbure de silicium peut être combiné avec d'autres matériaux pour former des nanocomposites afin d'améliorer les propriétés mécaniques, la conductivité thermique et la résistance à la corrosion du matériau. Ce matériau nanocomposite est largement utilisé dans l’aérospatiale, l’industrie automobile, le domaine énergétique, etc.

Matériaux structurels haute température:Nanocarbure de siliciuma une excellente stabilité à haute température et résistance à la corrosion, et peut être utilisé dans des environnements à températures extrêmement élevées. Par conséquent, il est utilisé comme matériau de structure à haute température dans les domaines de l’aérospatiale, de la pétrochimie, de la métallurgie et dans d’autres domaines, tels que la fabrication.fours à haute température, tubes de four, revêtements de four, etc.

Autres applications: Le nanocarbure de silicium est également utilisé dans le stockage de l'hydrogène, la photocatalyse et la détection, offrant de larges perspectives d'application.