วัสดุนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์

วัสดุนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์

วัสดุนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC nanomaterials) หมายถึงวัสดุที่ประกอบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)มีอย่างน้อยหนึ่งมิติในระดับนาโนเมตร (ปกติกำหนดเป็น 1-100 นาโนเมตร) ในพื้นที่สามมิติ วัสดุนาโนซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถจำแนกได้เป็นโครงสร้างศูนย์มิติ หนึ่งมิติ สองมิติ และสามมิติตามโครงสร้าง

โครงสร้างนาโนมิติเป็นศูนย์เป็นโครงสร้างที่มีมิติทั้งหมดอยู่ในระดับนาโนเมตร โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยผลึกนาโนที่เป็นของแข็ง นาโนสเฟียร์กลวง กรงนาโนกลวง และนาโนสเฟียร์แกนกลางเปลือก

โครงสร้างนาโนมิติเดียวหมายถึงโครงสร้างที่จำกัดสองมิติไว้ที่ขนาดนาโนเมตรในพื้นที่สามมิติ โครงสร้างนี้มีหลายรูปแบบ รวมถึงลวดนาโน (จุดศูนย์กลางทึบ), ท่อนาโน (จุดศูนย์กลางกลวง), สายพานนาโนหรือสายพานนาโน (หน้าตัดสี่เหลี่ยมแคบ) และปริซึมนาโน (หน้าตัดรูปปริซึม) โครงสร้างนี้กลายเป็นจุดเน้นของการวิจัยอย่างเข้มข้นเนื่องจากมีการใช้งานเฉพาะในฟิสิกส์ระดับ mesoscopic และการผลิตอุปกรณ์ระดับนาโน ตัวอย่างเช่น พาหะในโครงสร้างนาโนหนึ่งมิติสามารถแพร่กระจายในทิศทางเดียวของโครงสร้างเท่านั้น (เช่น ทิศทางตามยาวของเส้นลวดนาโนหรือท่อนาโน) และสามารถใช้เป็นอุปกรณ์เชื่อมต่อระหว่างกันและอุปกรณ์สำคัญในนาโนอิเล็กทรอนิกส์

โครงสร้างนาโนสองมิติซึ่งมีเพียงมิติเดียวในระดับนาโน ซึ่งมักจะตั้งฉากกับระนาบชั้นของมัน เช่น แผ่นนาโน แผ่นนาโน แผ่นนาโน และนาโนสเฟียร์ ได้รับความสนใจเป็นพิเศษเมื่อเร็ว ๆ นี้ ไม่เพียงแต่สำหรับความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับกลไกการเจริญเติบโตเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการสำรวจศักยภาพของมันด้วย การใช้งานกับตัวปล่อยแสง เซ็นเซอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ ฯลฯ

โครงสร้างนาโนสามมิติมักเรียกว่าโครงสร้างนาโนเชิงซ้อน ซึ่งเกิดขึ้นจากการรวมตัวกันของหน่วยโครงสร้างพื้นฐานตั้งแต่หนึ่งหน่วยขึ้นไปในมิติศูนย์ มิติเดียว และสองมิติ (เช่น เส้นลวดนาโนหรือแท่งนาโนที่เชื่อมต่อกันด้วยจุดเชื่อมต่อผลึกเดี่ยว) และมิติทางเรขาคณิตโดยรวมของพวกมัน อยู่ในระดับนาโนเมตรหรือไมโครเมตร โครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนดังกล่าวซึ่งมีพื้นที่ผิวต่อหน่วยปริมาตรสูงมีข้อดีหลายประการ เช่น เส้นทางแสงที่ยาวเพื่อการดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพ การถ่ายโอนประจุระหว่างพื้นผิวที่รวดเร็ว และความสามารถในการขนส่งประจุที่ปรับแต่งได้ ข้อดีเหล่านี้ช่วยให้โครงสร้างนาโนสามมิติสามารถพัฒนาการออกแบบในการแปลงและจัดเก็บพลังงานในอนาคต ตั้งแต่โครงสร้าง 0D ถึง 3D มีการศึกษาวัสดุนาโนหลากหลายชนิดและค่อยๆ นำเข้าสู่อุตสาหกรรมและชีวิตประจำวัน

วิธีการสังเคราะห์วัสดุนาโน SiC

วัสดุที่มีมิติเป็นศูนย์สามารถสังเคราะห์ได้โดยวิธีการหลอมร้อน วิธีการแกะสลักด้วยเคมีไฟฟ้า วิธีไพโรไลซิสด้วยเลเซอร์ ฯลฯ เพื่อให้ได้SiC แข็งผลึกนาโนมีตั้งแต่ไม่กี่นาโนเมตรไปจนถึงหลายสิบนาโนเมตร แต่โดยปกติแล้วจะเป็นทรงกลมหลอก ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 ภาพ TEM ของผลึกนาโน β-SiC ที่เตรียมโดยวิธีการต่างๆ

(ก) การสังเคราะห์ความร้อนด้วยโซลโวเทอร์มอล[34]; (B) วิธีการแกะสลักด้วยเคมีไฟฟ้า[35]; (c) การประมวลผลด้วยความร้อน [48]; (ง) เลเซอร์ไพโรไลซิส[49]

ดาซ็อก และคณะ ผลึกนาโน β-SiC ทรงกลมสังเคราะห์ที่มีขนาดควบคุมได้และมีโครงสร้างที่ชัดเจนโดยปฏิกิริยาการสลายตัวแบบโซลิดสเตตสองครั้งระหว่างผง SiO2, Mg และ C[55] ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 ภาพ FESEM ของผลึกนาโน SiC ทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกัน

(ก) 51.3 ± 5.5 นาโนเมตร; (ข) 92.8 ± 6.6 นาโนเมตร; (ค) 278.3 ± 8.2 นาโนเมตร

วิธีเฟสไอสำหรับการปลูกสายนาโน SiC การสังเคราะห์เฟสก๊าซเป็นวิธีการที่สมบูรณ์ที่สุดในการสร้างเส้นลวดนาโน SiC ในกระบวนการทั่วไป สารไอที่ใช้เป็นสารตั้งต้นเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกสร้างขึ้นโดยการระเหย การลดสารเคมี และปฏิกิริยาของก๊าซ (ต้องใช้อุณหภูมิสูง) แม้ว่าอุณหภูมิสูงจะเพิ่มการใช้พลังงานมากขึ้น แต่เส้นลวดนาโน SiC ที่ปลูกโดยวิธีนี้มักจะมีความสมบูรณ์ของผลึกสูง เส้นลวดนาโน/นาโนรอดที่ชัดเจน ปริซึมนาโน เข็มนาโน ท่อนาโน สายพานนาโน เคเบิลนาโน ฯลฯ ดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 สัณฐานวิทยาทั่วไปของโครงสร้างนาโน SiC หนึ่งมิติ 

(a) อาร์เรย์ Nanowire บนเส้นใยคาร์บอน (b) เส้นลวดนาโนที่ยาวเป็นพิเศษบนลูกบอล Ni-Si (ค) ลวดนาโน; (d) ปริซึมนาโน; (จ) นาโนแบมบู; (f) นาโนนีดเดิล; (g) นาโนโบน; (ซ) นาโนเชน; (i) ท่อนาโน

วิธีการแก้ปัญหาสำหรับการเตรียม SiC nanowires วิธีการแก้ปัญหาใช้ในการเตรียมสายนาโน SiC ซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิของปฏิกิริยา วิธีการนี้อาจรวมถึงการตกผลึกสารตั้งต้นของเฟสของสารละลายโดยการลดสารเคมีที่เกิดขึ้นเองหรือปฏิกิริยาอื่นๆ ที่อุณหภูมิที่ค่อนข้างอ่อน ในฐานะตัวแทนของวิธีการแก้ปัญหา โดยทั่วไปมีการใช้การสังเคราะห์โซลโวเทอร์มอลและการสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอลเพื่อให้ได้เส้นลวดนาโน SiC ที่อุณหภูมิต่ำ

วัสดุนาโนสองมิติสามารถเตรียมได้โดยวิธีโซลโวเทอร์มอล เลเซอร์แบบพัลซิ่ง การลดความร้อนด้วยคาร์บอน การขัดผิวด้วยกลไก และพลาสมาไมโครเวฟที่เพิ่มขึ้นซีวีดี- โฮ และคณะ ตระหนักถึงโครงสร้างนาโน 3D SiC ในรูปของดอกไม้ลวดนาโน ดังแสดงในรูปที่ 4 ภาพ SEM แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างคล้ายดอกไม้มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-2 μm และความยาว 3-5 μm

รูปที่ 4 ภาพ SEM ของดอกไม้ลวดนาโน SiC สามมิติ

ประสิทธิภาพของวัสดุนาโน SiC

วัสดุนาโน SiC เป็นวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม ซึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพ เคมี ไฟฟ้า และอื่นๆ ที่ดี

✔ คุณสมบัติทางกายภาพ

ความแข็งสูง: ความแข็งระดับไมโครของนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์อยู่ระหว่างคอรันดัมกับเพชร และมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าคอรันดัม มีความต้านทานการสึกหรอสูงและการหล่อลื่นในตัวได้ดี

ค่าการนำความร้อนสูง: นาโนซิลิกอนคาร์ไบด์มีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมและเป็นวัสดุนำความร้อนที่ดีเยี่ยม

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ: ช่วยให้นาโนซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถรักษาขนาดและรูปร่างที่มั่นคงภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงได้

พื้นที่ผิวจำเพาะสูง: หนึ่งในคุณลักษณะของวัสดุนาโน ซึ่งเอื้อต่อการปรับปรุงกิจกรรมพื้นผิวและประสิทธิภาพปฏิกิริยา

✔ คุณสมบัติทางเคมี

ความเสถียรทางเคมี: นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร และสามารถรักษาประสิทธิภาพไว้ได้ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้สภาพแวดล้อมต่างๆ

สารต้านอนุมูลอิสระ: สามารถต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงและทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีเยี่ยม

✔คุณสมบัติทางไฟฟ้า

แถบความถี่สูง: แถบความถี่สูงทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูง กำลังสูง และพลังงานต่ำ

การเคลื่อนที่ด้วยความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง: เอื้อต่อการส่งผ่านอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็ว

✔ลักษณะอื่นๆ

ความต้านทานรังสีที่แข็งแกร่ง: สามารถรักษาประสิทธิภาพที่มั่นคงในสภาพแวดล้อมที่มีรังสี

คุณสมบัติทางกลที่ดี: มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม เช่น โมดูลัสยืดหยุ่นสูง

การใช้วัสดุนาโน SiC

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์: เนื่องจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีเยี่ยมและความเสถียรที่อุณหภูมิสูง นาโนซิลิกอนคาร์ไบด์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์กำลังสูง อุปกรณ์ความถี่สูง ส่วนประกอบออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และสาขาอื่นๆ ในขณะเดียวกัน ยังเป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย

การใช้งานออปติคอล: นาโนซิลิกอนคาร์ไบด์มีแถบความถี่กว้างและคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม และสามารถนำไปใช้ในการผลิตเลเซอร์ประสิทธิภาพสูง, LED, อุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ฯลฯ

ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล: ใช้ประโยชน์จากความแข็งสูงและทนต่อการสึกหรอ นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์มีการใช้งานที่หลากหลายในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรกล เช่น เครื่องมือตัดความเร็วสูง แบริ่ง ซีลกล ฯลฯ ซึ่งสามารถปรับปรุงการสึกหรอได้อย่างมาก ความต้านทานและอายุการใช้งานของชิ้นส่วน

วัสดุนาโนคอมโพสิต: นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถใช้ร่วมกับวัสดุอื่นๆ เพื่อสร้างนาโนคอมโพสิตเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกล การนำความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ วัสดุนาโนคอมโพสิตนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ อุตสาหกรรมยานยนต์ สนามพลังงาน ฯลฯ

วัสดุโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูง: นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์มีเสถียรภาพในอุณหภูมิสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม และสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงมากได้ ดังนั้นจึงใช้เป็นวัสดุโครงสร้างที่มีอุณหภูมิสูงในการบินและอวกาศ ปิโตรเคมี โลหะวิทยา และสาขาอื่นๆ เช่น การผลิตเตาอุณหภูมิสูง, หลอดเตา, วัสดุบุผิวเตา ฯลฯ

การใช้งานอื่นๆ: นาโนซิลิคอนคาร์ไบด์ยังใช้ในการกักเก็บไฮโดรเจน โฟโตคะตะไลซิส และการตรวจจับ ซึ่งแสดงให้เห็นแนวโน้มการใช้งานในวงกว้าง