सिलिकॉन कार्बाइड नैनोमटेरियल्स

सिलिकॉन कार्बाइड नैनोमटेरियल्स

सिलिकॉन कार्बाइड नैनोमटेरियल्स (SiC नैनोमटेरियल्स) से बनी सामग्रियों को संदर्भित करता हैसिलिकॉन कार्बाइड (SiC)त्रि-आयामी अंतरिक्ष में नैनोमीटर पैमाने में कम से कम एक आयाम (आमतौर पर 1-100nm के रूप में परिभाषित) के साथ। सिलिकॉन कार्बाइड नैनोमटेरियल्स को उनकी संरचना के अनुसार शून्य-आयामी, एक-आयामी, दो-आयामी और तीन-आयामी संरचनाओं में वर्गीकृत किया जा सकता है।

शून्य-आयामी नैनोस्ट्रक्चरऐसी संरचनाएँ हैं जिनके सभी आयाम नैनोमीटर पैमाने पर हैं, जिनमें मुख्य रूप से ठोस नैनोक्रिस्टल, खोखले नैनोस्फेयर, खोखले नैनोकेज और कोर-शेल नैनोस्फेयर शामिल हैं।

एक आयामी नैनोस्ट्रक्चरउन संरचनाओं को संदर्भित करें जिनमें दो आयाम त्रि-आयामी अंतरिक्ष में नैनोमीटर पैमाने तक सीमित हैं। इस संरचना के कई रूप हैं, जिनमें नैनोवायर (ठोस केंद्र), नैनोट्यूब (खोखला केंद्र), नैनोबेल्ट या नैनोबेल्ट (संकीर्ण आयताकार क्रॉस-सेक्शन) और नैनोप्रिज्म (प्रिज्म के आकार का क्रॉस-सेक्शन) शामिल हैं। मेसोस्कोपिक भौतिकी और नैनोस्केल डिवाइस निर्माण में अपने अद्वितीय अनुप्रयोगों के कारण यह संरचना गहन अनुसंधान का केंद्र बन गई है। उदाहरण के लिए, एक-आयामी नैनोस्ट्रक्चर में वाहक केवल संरचना की एक दिशा (यानी, नैनोवायर या नैनोट्यूब की अनुदैर्ध्य दिशा) में फैल सकते हैं, और नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स में इंटरकनेक्ट और प्रमुख उपकरणों के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

द्वि-आयामी नैनोस्ट्रक्चर, जिनका नैनोस्केल पर केवल एक ही आयाम होता है, आमतौर पर उनके परत तल के लंबवत, जैसे कि नैनोशीट्स, नैनोशीट्स, नैनोशीट्स और नैनोस्फेयर, पर हाल ही में विशेष ध्यान दिया गया है, न केवल उनके विकास तंत्र की बुनियादी समझ के लिए, बल्कि उनकी क्षमता की खोज के लिए भी। प्रकाश उत्सर्जक, सेंसर, सौर सेल आदि में अनुप्रयोग।

त्रि-आयामी नैनोस्ट्रक्चरआमतौर पर जटिल नैनोस्ट्रक्चर कहलाते हैं, जो शून्य-आयामी, एक-आयामी और दो-आयामी (जैसे नैनोवायर या एकल क्रिस्टल जंक्शनों से जुड़े नैनोरोड्स) में एक या अधिक बुनियादी संरचनात्मक इकाइयों के संग्रह और उनके समग्र ज्यामितीय आयामों से बनते हैं। नैनोमीटर या माइक्रोमीटर पैमाने पर हैं। प्रति इकाई आयतन में उच्च सतह क्षेत्र वाले ऐसे जटिल नैनोस्ट्रक्चर कई फायदे प्रदान करते हैं, जैसे कुशल प्रकाश अवशोषण के लिए लंबे ऑप्टिकल पथ, तेज़ इंटरफेशियल चार्ज ट्रांसफर और ट्यून करने योग्य चार्ज ट्रांसपोर्ट क्षमताएं। ये फायदे त्रि-आयामी नैनोस्ट्रक्चर को भविष्य के ऊर्जा रूपांतरण और भंडारण अनुप्रयोगों में डिजाइन को आगे बढ़ाने में सक्षम बनाते हैं। 0डी से लेकर 3डी संरचनाओं तक, विभिन्न प्रकार के नैनोमटेरियल का अध्ययन किया गया है और धीरे-धीरे उद्योग और दैनिक जीवन में पेश किया गया है।

SiC नैनोमटेरियल्स के संश्लेषण के तरीके

शून्य-आयामी सामग्री को प्राप्त करने के लिए गर्म पिघल विधि, इलेक्ट्रोकेमिकल नक़्क़ाशी विधि, लेजर पायरोलिसिस विधि आदि द्वारा संश्लेषित किया जा सकता हैSiC ठोसनैनोक्रिस्टल कुछ नैनोमीटर से लेकर दसियों नैनोमीटर तक होते हैं, लेकिन आमतौर पर छद्म-गोलाकार होते हैं, जैसा चित्र 1 में दिखाया गया है।

चित्र 1 विभिन्न तरीकों से तैयार किए गए β-SiC नैनोक्रिस्टल की TEM छवियां

(ए) सॉल्वोथर्मल संश्लेषण[34]; (बी) इलेक्ट्रोकेमिकल नक़्क़ाशी विधि [35]; (सी) थर्मल प्रसंस्करण[48]; (डी) लेजर पायरोलिसिस[49]

दासोग एट अल. SiO2, Mg और C पाउडर [55] के बीच ठोस-अवस्था डबल अपघटन प्रतिक्रिया द्वारा नियंत्रणीय आकार और स्पष्ट संरचना के साथ संश्लेषित गोलाकार β-SiC नैनोक्रिस्टल, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।

चित्र 2 विभिन्न व्यास वाले गोलाकार SiC नैनोक्रिस्टल की FESEM छवियां [55]

(ए) 51.3 ± 5.5 एनएम; (बी) 92.8 ± 6.6 एनएम; (सी) 278.3 ± 8.2 एनएम

SiC नैनोवायरों को उगाने के लिए वाष्प चरण विधि। गैस चरण संश्लेषण SiC नैनोवायर बनाने की सबसे परिपक्व विधि है। एक विशिष्ट प्रक्रिया में, अंतिम उत्पाद बनाने के लिए अभिकारकों के रूप में उपयोग किए जाने वाले वाष्प पदार्थ वाष्पीकरण, रासायनिक कमी और गैसीय प्रतिक्रिया (उच्च तापमान की आवश्यकता) द्वारा उत्पन्न होते हैं। यद्यपि उच्च तापमान अतिरिक्त ऊर्जा खपत को बढ़ाता है, इस विधि द्वारा उगाए गए SiC नैनोवायरों में आमतौर पर उच्च क्रिस्टल अखंडता, स्पष्ट नैनोवायर/नैनोरोड, नैनोप्रिज्म, नैनोनीडल्स, नैनोट्यूब, नैनोबेल्ट, नैनोकेबल्स आदि होते हैं, जैसा कि चित्र 3 में दिखाया गया है।

चित्र 3 एक-आयामी SiC नैनोसंरचनाओं की विशिष्ट आकृतियाँ 

(ए) कार्बन फाइबर पर नैनोवायर सरणियाँ; (बी) नी-सी गेंदों पर अल्ट्रालॉन्ग नैनोवायर; (सी) नैनोवायर; (डी) नैनोप्रिज्म; (ई) नैनोबांस; (एफ) नैनोनीडल्स; (जी) नैनोबोन्स; (ज) नैनोचैन्स; (i) नैनोट्यूब

SiC नैनोवायरों की तैयारी के लिए समाधान विधि। समाधान विधि का उपयोग SiC नैनोवायर तैयार करने के लिए किया जाता है, जो प्रतिक्रिया तापमान को कम करता है। विधि में अपेक्षाकृत हल्के तापमान पर सहज रासायनिक कमी या अन्य प्रतिक्रियाओं के माध्यम से समाधान चरण अग्रदूत को क्रिस्टलीकृत करना शामिल हो सकता है। समाधान विधि के प्रतिनिधियों के रूप में, सॉल्वोथर्मल संश्लेषण और हाइड्रोथर्मल संश्लेषण का उपयोग आमतौर पर कम तापमान पर SiC नैनोवायर प्राप्त करने के लिए किया गया है।

द्वि-आयामी नैनोमटेरियल को सॉल्वोथर्मल तरीकों, स्पंदित लेजर, कार्बन थर्मल रिडक्शन, मैकेनिकल एक्सफोलिएशन और माइक्रोवेव प्लाज्मा एन्हांस्ड द्वारा तैयार किया जा सकता है।सीवीडी. हो एट अल. जैसा कि चित्र 4 में दिखाया गया है, नैनोवायर फूल के आकार में एक 3डी SiC नैनोस्ट्रक्चर का एहसास हुआ। SEM छवि से पता चलता है कि फूल जैसी संरचना का व्यास 1-2 माइक्रोमीटर और लंबाई 3-5 माइक्रोमीटर है।

चित्र 4 त्रि-आयामी SiC नैनोवायर फूल की SEM छवि

SiC नैनोमटेरियल्स का प्रदर्शन

SiC नैनोमटेरियल्स उत्कृष्ट प्रदर्शन के साथ एक उन्नत सिरेमिक सामग्री है, जिसमें अच्छे भौतिक, रासायनिक, विद्युत और अन्य गुण हैं।

✔ भौतिक गुण

उच्च कठोरता: नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड की सूक्ष्म कठोरता कोरन्डम और हीरे के बीच होती है, और इसकी यांत्रिक शक्ति कोरन्डम की तुलना में अधिक होती है। इसमें उच्च पहनने का प्रतिरोध और अच्छा आत्म-स्नेहन है।

उच्च तापीय चालकता: नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड में उत्कृष्ट तापीय चालकता है और यह एक उत्कृष्ट तापीय चालकता सामग्री है।

कम थर्मल विस्तार गुणांक: यह नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड को उच्च तापमान स्थितियों के तहत स्थिर आकार और आकार बनाए रखने की अनुमति देता है।

उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र: नैनोमटेरियल की विशेषताओं में से एक, यह इसकी सतह गतिविधि और प्रतिक्रिया प्रदर्शन में सुधार के लिए अनुकूल है।

✔ रासायनिक गुण

रासायनिक स्थिरता: नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड में स्थिर रासायनिक गुण होते हैं और यह विभिन्न वातावरणों में अपने प्रदर्शन को अपरिवर्तित बनाए रख सकता है।

एंटीऑक्सीडेंट: यह उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण का विरोध कर सकता है और उत्कृष्ट उच्च तापमान प्रतिरोध प्रदर्शित करता है।

✔विद्युत गुण

उच्च बैंडगैप: उच्च बैंडगैप इसे उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति और कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बनाने के लिए एक आदर्श सामग्री बनाता है।

उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति गतिशीलता: यह इलेक्ट्रॉनों के तीव्र संचरण के लिए अनुकूल है।

✔अन्य विशेषताएँ

मजबूत विकिरण प्रतिरोध: यह विकिरण वातावरण में स्थिर प्रदर्शन बनाए रख सकता है।

अच्छे यांत्रिक गुण: इसमें उच्च लोचदार मापांक जैसे उत्कृष्ट यांत्रिक गुण हैं।

SiC नैनोमटेरियल्स का अनुप्रयोग

इलेक्ट्रॉनिक्स और अर्धचालक उपकरण: अपने उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक गुणों और उच्च तापमान स्थिरता के कारण, नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड का व्यापक रूप से उच्च-शक्ति इलेक्ट्रॉनिक घटकों, उच्च-आवृत्ति उपकरणों, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक घटकों और अन्य क्षेत्रों में उपयोग किया जाता है। साथ ही, यह अर्धचालक उपकरणों के निर्माण के लिए आदर्श सामग्रियों में से एक भी है।

ऑप्टिकल अनुप्रयोग: नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड में व्यापक बैंडगैप और उत्कृष्ट ऑप्टिकल गुण हैं, और इसका उपयोग उच्च-प्रदर्शन वाले लेजर, एलईडी, फोटोवोल्टिक उपकरणों आदि के निर्माण के लिए किया जा सकता है।

यांत्रिक भाग: इसकी उच्च कठोरता और पहनने के प्रतिरोध का लाभ उठाते हुए, नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड में यांत्रिक भागों, जैसे उच्च गति काटने वाले उपकरण, बीयरिंग, यांत्रिक मुहर इत्यादि के निर्माण में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला होती है, जो पहनने में काफी सुधार कर सकती है भागों का प्रतिरोध और सेवा जीवन।

नैनोकम्पोजिट सामग्री: नैनो-सिलिकॉन कार्बाइड को सामग्री के यांत्रिक गुणों, तापीय चालकता और संक्षारण प्रतिरोध में सुधार के लिए नैनोकम्पोजिट बनाने के लिए अन्य सामग्रियों के साथ जोड़ा जा सकता है। इस नैनोकम्पोजिट सामग्री का व्यापक रूप से एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव उद्योग, ऊर्जा क्षेत्र आदि में उपयोग किया जाता है।

उच्च तापमान संरचनात्मक सामग्री: नैनोसिलिकन कार्बाइडइसमें उत्कृष्ट उच्च तापमान स्थिरता और संक्षारण प्रतिरोध है, और इसका उपयोग अत्यधिक उच्च तापमान वाले वातावरण में किया जा सकता है। इसलिए, इसका उपयोग एयरोस्पेस, पेट्रोकेमिकल, धातु विज्ञान और विनिर्माण जैसे अन्य क्षेत्रों में उच्च तापमान संरचनात्मक सामग्री के रूप में किया जाता हैउच्च तापमान भट्टियाँ, भट्ठी ट्यूब, भट्टी अस्तर, आदि।

अन्य अनुप्रयोग: नैनो सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग हाइड्रोजन भंडारण, फोटोकैटलिसिस और सेंसिंग में भी किया जाता है, जो व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं दिखाता है।