SiC纳米材料

碳化硅纳米材料

碳化硅纳米材料（SiC nanomaterials）是指由碳化硅（SiC）构成的，在三维空间中至少有一维的尺寸处于纳米级别（通常定义为1-100nm）的材料。碳化硅纳米材料可根据结构被分类为零维、一维、二维和三维结构。

零维纳米结构是其所有尺寸都在纳米尺度上的结构，主要包含固体纳米晶体、中空纳米球、中空纳米笼和核壳纳米球等。

一维纳米结构是指结构在三维空间中有二个维度被限域在纳米尺度范围该结构有多种形式，包括纳米线（中心实心）、纳米管（中心空心）、纳米带或纳米带（窄矩形横截面）和纳米棱镜（棱镜状横截面）等。该结构由于其在介观物理和纳米尺度器件制造中的独特应用而成为深入研究的焦点。例如，一维纳米结构的载流子只能在结构的一个方向上传播(即纳米线或纳米管的纵向)，可以用作纳米电子学中的互连和关键器件。

二维纳米结构在纳米尺度上仅具有通常垂直于其层平面的一维，如纳米片，纳米片，纳米片和纳米球最近受到特别关注，不仅对其生长机制有基本了解，而且还探索其在光发射器，传感器，太阳能电池等中的潜在应用。

三维纳米结构通常被称为复杂纳米结构，由零维、一维、二维中的一种或多种基本结构单元（例如通过单晶结连接的纳米线或纳米棒）的集合形成，其总体几何尺寸在纳米或微米尺度上。这种具有高单位体积表面积的复杂纳米结构提供了许多优点，例如用于有效光吸收的长光学路径、快速界面电荷转移和可调电荷传输能力。这些优势使三维纳米结构能够在未来的能量转换和存储应用中推进设计。从0D到3D结构，各种各样的纳米材料被研究，并逐渐引入工业和日常生活。

SiC纳米材料合成方法

零维材料通过热熔剂法、电化学刻蚀法、激光热解法等合成方法可得到从几个纳米到几十个纳米的SiC固体纳米晶体，但通常是假球形，如图1所示。

图1 不同方法制备的β-SiC纳米晶体的TEM图像

（a）溶剂热法合成[34]；（B）电化学蚀刻方法[35]；（c）热加工法[48]；（d）激光热解法[49]

Dasog等人通过SiO2、Mg和C粉末之间的固态复分解反应的方法合成了尺寸可控、结构清晰的球形β-SiC纳米晶[55]，如图2所示。

图2 不同直径的球形SiC纳米晶体的FESEM图像[55]

（a）51.3 ± 5.5 nm；（B）92.8 ± 6.6 nm；（c）278.3 ± 8.2 nm

气相法生长碳化硅纳米线。气相合成是形成SiC纳米线的最成熟的方法。在典型的工艺中，通过蒸发、化学还原和气态反应（需要高温）产生用作反应物以形成最终产物的蒸气物质。尽管高温增加了额外的能量消耗，但是通过该方法生长的SiC纳米线通常具有高的晶体完整性、清晰的纳米线/纳米棒、纳米棱镜、纳米针、纳米管、纳米带、纳米电缆等等，如图3所示。

图3一维SiC纳米结构的典型形貌（a）碳纤维上的纳米线阵列；（b）Ni-Si球上的超长纳米线；（c）纳米线；（d）纳米棱柱；（e）纳米竹；（f）纳米针；（g）纳米骨；（h）纳米链；（i）纳米管

溶液法制备SiC纳米线。采用溶液法制备SiC纳米线，降低了反应温度。该方法可包括在相对温和的温度下通过自发化学还原或其他反应使溶液相前体结晶。作为溶液法的代表，溶剂热合成和水热合成已被普遍用于在低温下获得SiC纳米线。

二维纳米材料可以通过溶剂热法、脉冲激光、碳热还原、机械剥离和微波等离子体增强CVD法等工艺进行制备。Ho等人实现了纳米线花形状的3D SiC纳米结构，如图4所示，SEM图像显示花状结构具有1-2 μm的直径和3-5 μm的长度。

图3 三维 SiC纳米线花的SEM图像

SiC纳米材料的性能

SiC纳米材料是一种具有优异性能的先进陶瓷材料，其具有很好的物理、化学、电学及其他性能。

✔物理性能

高硬度：纳米碳化硅的显微硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，具有高耐磨性和良好的自润滑性。

高热导率：纳米碳化硅具有优良的导热性能，是优秀的热传导材料。

低热膨胀系数：这使得纳米碳化硅在高温环境下能保持稳定的尺寸和形状。

高比表面积：纳米材料的特性之一，有利于提高其表面活性和反应性能。

✔化学性能

化学稳定性：纳米碳化硅化学性能稳定，能在多种环境下保持其性能不变。

抗氧化性：在高温时能抗氧化，表现出优异的耐高温性能。

✔电学性能

高禁带宽度：高的禁带宽度使其成为制作高频、大功率、低能耗电子器件的理想材料。

高电子饱和迁移率：有利于电子的快速传输。

✔其他特性

抗辐射能力强：在辐射环境下能保持稳定的性能。

机械性能好：具有高弹性模量等优异的力学性能。

SiC纳米材料的应用

电子与半导体器件：由于其优异的电子性能和高温稳定性，纳米碳化硅被广泛应用于高功率电子元件、高频器件、光电子元件等领域。同时，它也是制造半导体器件的理想材料之一。

光学应用：纳米碳化硅具有宽带隙和优异的光学特性，可用于制造高性能激光器、LED、光伏器件等。

机械零部件：利用其高硬度和耐磨性，纳米碳化硅在制造机械零部件方面具有广泛应用，如高速切削工具、轴承、机械密封件等，可大大提高部件的耐磨性和使用寿命。

纳米复合材料：纳米碳化硅可以与其他材料结合形成纳米复合材料，以改善材料的力学性能、热导性能和耐腐蚀性能。这种纳米复合材料广泛应用于航空航天、汽车工业、能源领域等。

高温结构材料：纳米碳化硅具有出色的高温稳定性和耐腐蚀性能，可以在极端的高温环境下使用。因此，它在航空航天、石化、冶金等领域中用作高温结构材料，如制造高温炉具、炉管、炉衬等。

其他应用：纳米碳化硅还被应用于储氢、光催化和传感等领域，显示出广阔的应用前景。

参考文献

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来源：六方半导体

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