炭化ケイ素ナノマテリアル

炭化ケイ素ナノマテリアル

炭化ケイ素ナノマテリアル（SiC ナノマテリアル）とは、以下から構成される材料を指します。炭化ケイ素（SiC）3 次元空間において、少なくとも 1 つの次元がナノメートルスケール (通常は 1 ～ 100nm として定義される) を持つ。炭化ケイ素ナノ材料は、その構造に応じて、0次元、1次元、2次元、3次元構造に分類できます。

ゼロ次元ナノ構造すべての寸法がナノメートルスケールである構造で、主に固体ナノ結晶、中空ナノスフィア、中空ナノケージ、およびコアシェルナノスフィアが含まれます。

一次元ナノ構造3次元空間において2次元がナノメートルスケールに限定されている構造を指します。この構造には、ナノワイヤ (中実の中心)、ナノチューブ (中空の中心)、ナノベルトまたはナノベルト (狭い長方形の断面)、およびナノプリズム (角柱状の断面) など、さまざまな形状があります。この構造は、メゾスコピック物理学およびナノスケールデバイス製造におけるその独特な応用により、集中的な研究の焦点となっている。たとえば、一次元ナノ構造内のキャリアは、構造の一方向（つまり、ナノワイヤまたはナノチューブの長手方向）にのみ伝播することができ、ナノエレクトロニクスの相互接続およびキーデバイスとして使用できます。

二次元ナノ構造ナノシート、ナノシート、ナノシート、ナノスフィアなど、ナノスケールでの次元が 1 つだけで、通常はその層面に垂直な構造は、最近、その成長メカニズムの基本的な理解だけでなく、その可能性を探求するためにも特別な注目を集めています。発光体、センサー、太陽電池などの用途

三次元ナノ構造通常、複雑なナノ構造と呼ばれ、ゼロ次元、一次元、および二次元の 1 つ以上の基本構造単位 (単結晶接合によって接続されたナノワイヤやナノロッドなど) とその全体的な幾何学的寸法の集合によって形成されます。ナノメートルまたはマイクロメートルスケールです。単位体積あたりの表面積が大きいこのような複雑なナノ構造は、効率的な光吸収のための長い光路、高速な界面電荷移動、調整可能な電荷輸送能力など、多くの利点をもたらします。これらの利点により、三次元ナノ構造は将来のエネルギー変換および貯蔵用途の設計を前進させることができます。 0D から 3D 構造に至るまで、多種多様なナノマテリアルが研究され、徐々に産業や日常生活に導入されています。

SiCナノ材料の合成法

ホットメルト法、電気化学エッチング法、レーザー熱分解法などによりゼロ次元材料を合成し、SiCソリッドナノ結晶は数ナノメートルから数十ナノメートルの範囲ですが、図1に示すように、通常は疑似球形です。

図 1 さまざまな方法で作製した β-SiC ナノ結晶の TEM 画像

(a) ソルボサーマル合成[34]。 (B) 電気化学エッチング法[35]。 (c) 熱処理[48]。 (d) レーザー熱分解[49]

ダソグら。図 2 に示すように、SiO2、Mg、C 粉末間の固体二重分解反応により、制御可能なサイズと明確な構造を備えた球状 β-SiC ナノ結晶を合成しました[55]。

図 2 異なる直径を持つ球状 SiC ナノ結晶の FESEM 画像[55]

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

SiCナノワイヤーを成長させるための気相法。気相合成は、SiC ナノワイヤーを形成するための最も成熟した方法です。一般的なプロセスでは、最終製品を形成するための反応物として使用される蒸気物質は、蒸発、化学還元、およびガス反応 (高温を必要とする) によって生成されます。高温では追加のエネルギー消費が増加しますが、図 3 に示すように、この方法で成長させた SiC ナノワイヤは通常、結晶の完全性が高く、透明なナノワイヤ/ナノロッド、ナノプリズム、ナノニードル、ナノチューブ、ナノベルト、ナノケーブルなどを備えています。

図 3 一次元 SiC ナノ構造の典型的な形態 

(a) カーボンファイバー上のナノワイヤーアレイ。 (b) Ni-Si ボール上の超長ナノワイヤ。 (c) ナノワイヤ。 (d) ナノプリズム。 (e) ナノバンブー。 (f) ナノニードル。 (g) ナノボーン。 (h) ナノチェーン。 (i) ナノチューブ

SiC ナノワイヤーを調製するための溶液法。 SiC ナノワイヤの調製には溶液法が使用され、反応温度が下がります。この方法は、比較的穏やかな温度での自発的な化学還元または他の反応を通じて溶液相前駆体を結晶化することを含むことができる。溶液法の代表として、低温でSiCナノワイヤを得るにはソルボサーマル合成法や水熱合成法が一般的に用いられている。

二次元ナノ材料は、ソルボサーマル法、パルスレーザー、炭素熱還元、機械的剥離、およびマイクロ波プラズマ強化によって調製できます。CVD。ホーら。は、図 4 に示すように、ナノワイヤーの花の形をした 3D SiC ナノ構造を実現しました。SEM 画像は、花のような構造が直径 1 ～ 2 μm、長さ 3 ～ 5 μm であることを示しています。

図4 三次元SiCナノワイヤーフラワーのSEM画像

SiCナノ材料の性能

SiC ナノ材料は、優れた物理的、化学的、電気的およびその他の特性を備えた、優れた性能を備えた先進的なセラミック材料です。

✔ 物理的性質

高硬度：ナノ炭化ケイ素の微小硬度はコランダムとダイヤモンドの中間にあり、機械的強度はコランダムよりも優れています。耐摩耗性が高く、自己潤滑性も良好です。

高い熱伝導性：ナノ炭化ケイ素は熱伝導性に優れ、優れた熱伝導材料です。

低い熱膨張係数: これにより、ナノシリコンカーバイドは高温条件下でも安定したサイズと形状を維持できます。

高い比表面積: ナノマテリアルの特性の 1 つであり、表面活性と反応性能の向上に役立ちます。

✔ 化学的性質

化学的安定性：ナノ炭化ケイ素は化学的性質が安定しており、さまざまな環境下でも変わらない性能を維持できます。

酸化防止：高温でも酸化しにくく、優れた耐高温性を示します。

✔電気的特性

高バンドギャップ: 高バンドギャップにより、高周波、高出力、低エネルギーの電子デバイスの製造に理想的な材料となります。

高い電子飽和移動度: 電子の迅速な伝達に役立ちます。

✔その他の特徴

強い耐放射線性：放射線環境下でも安定した性能を維持できます。

良好な機械的特性：高弾性率など優れた機械的特性を持っています。

SiCナノ材料の応用

電子・半導体デバイス: ナノ炭化ケイ素は、その優れた電子特性と高温安定性により、高出力電子部品、高周波デバイス、光電子部品などの分野で広く使用されています。同時に、半導体デバイスの製造に最適な材料の一つでもあります。

光学用途：ナノシリコンカーバイドは広いバンドギャップと優れた光学特性を持ち、高性能レーザー、LED、太陽光発電デバイスなどの製造に使用できます。

機械部品: ナノシリコンカーバイドは、その高い硬度と耐摩耗性を活かして、高速切削工具、ベアリング、メカニカルシールなどの機械部品の製造に幅広い用途があり、摩耗を大幅に改善できます。部品の抵抗と寿命。

ナノ複合材料: ナノ炭化ケイ素は他の材料と組み合わせてナノ複合材料を形成し、材料の機械的特性、熱伝導率、耐食性を向上させることができます。このナノコンポジット材料は、航空宇宙、自動車産業、エネルギー分野などで広く使用されています。

高温構造材料：ナノ炭化ケイ素高温安定性、耐食性に優れており、極度の高温環境でも使用可能です。したがって、航空宇宙、石油化学、冶金および製造などのその他の分野で高温構造材料として使用されます。高温炉, 炉管、炉内張りなど。

その他の用途：ナノ炭化ケイ素は水素貯蔵、光触媒、センシングにも使用されており、幅広い応用の可能性を示しています。