不同角色的碳化硅纳米材料领域

文摘

碳化硅(SiC)是一种很有前途的材料由于其独特的性质采用不同的水晶多种类型的监控带隙和电子和光学性质。尽管是间接带隙半导体,碳化硅用于一些高性能的电子和光学设备。SiC一直被认为是最好的生物相容性材料,特别是心血管和blood-contacting植入物和生物医学设备。在本文中,不同角色的SiC纳米的形式讨论。认为进一步的实验和理论工作将有助于更好的理解这些纳米结构的各种属性为了实现其全部潜力。

1。介绍

在当今时代集团第四半导体,一般来说,不像以前一样受欢迎,在光学和光电领域。的原因在于他们的间接带隙,这使他们在室温下发光效率很低。在光电设备由第三组/ V复合材料如砷化镓主导目前。

1.1。的优越性在硅和碳化硅碳

碳是地球上所有已知生命形式的支柱。在人体,它是第二丰富的元素后,质量的氧气。碳在自然界存在的形式主要是石墨,金刚石和无定形碳。硅集成电路中使用的基本材料和半导体器件的主要组件。硅也是一个至关重要的元素来维持生活。硅和碳的化合物,碳化硅(SiC),半导体与优越的特点,广泛应用于高温、大功率和高频电子应用程序。这也是最好的生物相容性材料之一。

1.2。碳化硅最吸引人的地方是什么?

大部分碳化硅是一种宽禁带IV-IV半导体有趣和著名的物理性质。硅在室温下的带隙1.12 eV而多样化的原文如此,因为它存在于超过200结晶形式,其中最常见的类型是3 c, 6 h,和4 h,带隙2.2,3.02,和3.20 eV,分别1]。碳化硅是一种很有前途的材料由于其独特的能力采取不同的水晶多种类型的监控带隙的电子和光学性质2- - - - - -4]。尽管是间接带隙半导体,碳化硅用于一些高性能的电子和光学设备由于其独特的物理和电子性质。高的化学稳定性促进碳化硅在敌对的环境中应用。此外,碳化硅一直被认为是最好的生物相容性材料(5),特别是心血管和blood-contacting植入物和生物医学设备。

1.3。适用性的SiC荧光:生物研究的一个重要工具

荧光检测方法应用于生物学研究的各个方面:分析化验,细胞成像,生物传感器,体内细胞定位。因此,生物学和医学的进步强烈依赖于荧光测量的表演。特别是,细胞成像,荧光效率nanoprobes需要探测非常微弱的癌症细胞浓度、为了使早期诊断。high-fluorescence属性相结合,一个高效nanoprobe也必须photostable,单色,弱毒性。基于碳化硅半导体纳米粒子最近被成功地用于活细胞的荧光成像6]。闻名的化学和热稳定性、SiC适合这个应用程序。

1.4。量子点:更有利代替有机荧光团

半导体纳米晶体的兴趣,或者量子点(量子点),因为他们的增长不寻常的物理特性,报道小于几纳米的粒子直径(7]。量子点发光越来越多的被用作生物标记和基于成为替代传统有机染料荧光团(8]。他们的主要优势有机荧光团优越的光漂白和分散相发射波长尺寸稳定。

1.5。在现代时代原因第四组纳米结构占主导地位

随着纳米科学和纳米技术的出现,出现了越来越浓的兴趣从第四组获得高效发光纳米结构有两个原因。首先,广泛的调查表明,荧光效率在第四组纳米结构可以提高几个数量级的散装材料。它们的量子产率可以接近甚至高于一些散装或直接带隙半导体纳米。这种结果大大提高了辐射复合率,抑制或相对减少非辐射的复合率由于空间限制在纳米结构9]。其次,第四组纳米粒子更良性的人类和环境相比,半导体纳米晶体包含细胞毒性重金属原子。第三,荧光半导体(包括集团(四)纳米晶体,也被称为量子点,展示了他们的巨大的潜力在生物成像和诊断等美德优于传统有机染料高抵抗光漂白,成分/尺度依赖的吸收,和排放,以及广泛的吸收光谱和发射光谱窄(单分散的纳米颗粒)10,11]。因此,他们适合长期、多色标记在细胞内过程的监控12- - - - - -14]。此外,他们可以作为治疗药物输送平台。在这方面,第四组纳米颗粒带来新的希望良性材料伴随着上述属性,这有利于他们的生物应用。

第四组纳米结构的另一个优点是,他们很容易使水溶性好或通过后续的表面功能化;这是一个应用程序在生理环境的必要条件。此外,所有的第四组材料可以和各种类型的配体特别是生物分子形成化学键(15]。

根据量子限制效应,半导体粒子的大小减少接近或小于其大部分激子波尔直径,相应的能源缺口将增加与减少大小,和相应的荧光带间的转换所产生的航空公司(电子和空穴)将转向蓝色(16]。因此,排放在第四组纳米粒子与不同大小将跨越整个从近红外线光谱区可见近紫外线。这种美德是有利于他们的应用程序在生物成像和遥感。

1.6。碳化硅纳米结构对硅纳米材料

功能杂化纳米复合材料的物理性质被集中研究在过去的十年。在所报告的功能,在光学(17),电子产品(18,光伏19),或光电子学20.很有前途的。就功能而言,活跃的向量由无机半导体纳米晶体。

组成的硅纳米颗粒,尽管是间接带隙材料,可以表现出可见波长的光致发光,影响归因于量子约束(21]。与直接带隙同行不同的是,硅纳米材料bioinert [22),但他们的更广泛的接受替代荧光团目前限于贫穷排放稳定在水环境中(23]。纳米碳化硅具有独特的属性,这些属性使它有用在微电子、光电子学,生物医学工程,因此吸引了很多的材料和设备的兴趣社区。在微电子工业中,碳化硅被认为是一个有前途的替代硅,特别是在大功率,高温和高频设备(24,25]。这宽禁带生物相容性26材料是最近在纳米结构表现出蓝色/黄色光致发光(27]。SiC纳米粒子具有通用的属性例如介电行为的界面极化(28- - - - - -30.)以及振动和发光性质,指出表面性质的主要作用3,4]。

SiC纳米晶体的发光性质已经观察到相当变量和强烈依赖于制造方法,甚至在特定的测量。发射光谱带可以跨宽光谱范围从400到500纳米。没有表现出明显的量子约束的荧光报告直到最近。这与多孔Si (21,31日和硅纳米晶体32- - - - - -35从量子限制可以更容易地观察到。二元化合物,碳化硅有复杂的表面状态和结构(36- - - - - -39]。量子限制的主要原因是不容易实现原文如此,有许多表面或缺陷状态控制发光,SiC纳米晶体太大(40]。

在理论方面,调查的结果在SiC纳米结构的结构和电子性质,采用半经验的和第一原理计算(41- - - - - -43]表明,SiC纳米结构的带隙有很强的依赖他们的尺寸和表面成分。

1.7。不同种类的SiC纳米结构的魅力

不同种类的SiC纳米结构中,SiC纳米晶体具有潜在应用纳米光发射器是第一个得到广泛关注和研究了在过去的十五年。在室温下光,大部分SiC显示弱发射的间接带隙[44]。然而,排放强度时可以显著提高微晶大小减少几个或几十个纳米21,45]。这被认为是由于沮丧的局限集群(非辐射的复合33]。按照量子约束(QC)效应,光致发光(PL)的微晶直径低于批量激子玻尔半径的转移到蓝色减少大小(46,47]。因此,wavelength-tunable排放量可以通过制备微晶大小不同。碳化硅的大带隙(2.23 eV 3 c-sic)呈现纳米晶体良好的候选人是蓝色和紫外(UV)光发射器在显示器。这与硅微晶的强大和稳定的排放在这些光谱范围是难以实现45]。此外,高的化学和热稳定性48碳化硅的让这些纳米晶体的发光非常稳定使材料在恶劣的使用环境和要求的应用程序。结合他们的良好的生物相容性,特别是血液兼容性,低密度,高刚度(1,49),SiC纳米晶体可能是有用的在生物学和医学,例如,在bio-labelling [7,50]。

最近,一维(1 d) SiC纳米结构,如纳米线(51和纳米管52吸引了很多的利益,因为他们发挥着至关重要的作用作为构建块在分子电子学53]。碳化硅纳米线具有优秀的机械性能和高电导率可用于强化复合材料或nanocontacts恶劣的环境。此外,该材料具有良好的场电子发射性能和生物相容性。

纳米级碳化硅结构的光学和电学性质尤其高效和稳定的SiC nanodevices至关重要。SiC纳米线已被证明有稳定的场电子发射特性(54,55),这表明材料有潜在领域电子发射器。单壁碳纳米管异质结构和碳化硅纳米棒(56)在未来的混合nanodevices可能发挥重要作用。强烈的、健壮的、wavelength-tuneable可见发射从3 c-sic纳米晶体表明他们是好光源(27适用于nanooptoelectronic集成。纳米晶体SiC电影发出可见光(57也希望在大面积显示。此外,碳化硅是一种生物相容性的材料(58)和生物传感器由这些材料可能在未来实现。考虑到化学稳定性和水溶性,发光碳化硅纳米晶体可能会发现在生物技术中的应用/医学[59]。

大部分碳化硅是一种宽禁带IV-IV半导体有趣和著名的物理性质。纳米工程材料允许相当大的扩展的基本物理化学性质。例如,SiC纳米结构显示更大的弹性和强度比散装SiC (60],SiC纳米线的电子场发射阈值与一个基于碳纳米管的材料以及稳定的发射特性(55]。妞妞和王61年)最近报道SiC纳米线的应用程序覆盖着铂金作为氢的高效electrocatalyst吸附/解吸和甲醇氧化。各种SiC纳米结构如簇,纳米线,纳米棒,沙粒,甚至nanoflowers开发(51,56,62年- - - - - -66年]。特别的努力,研究人员面向生长碳化硅纳米颗粒在硅基板67年,68年]。结合SiC纳米结构的聚合物矩阵形成新型的复合材料也进行了研究69年]。例如,在聚合物矩阵包含SiC nanocrystallites线性电光效应实验观察和报道(70年]。

2。机械合金化:优越的制造技术

通常,金属碳化物由传统粉末冶金路线,液相烧结技术(71年,72年)、固体蒸汽反应过程(73年),或者化学气反应(74年)需要非常高的温度以及良好的真空条件或超纯惰性气体氛围。一个“自上而下”物理方法制备均匀的纳米晶体金属碳化物是机械合金化(MA) (75年- - - - - -85年]。马有优于其他的伪装技术作为最终产品需要纳米晶体结构具有优越的特性相比,传统的粗粒度的材料。Enayati等人,Abderrazak Abdellaoui报道,纳米晶体SiC可以准备使用MA (79年,85年)与ball-to-powder很高质量比(BPMR ~ 67: 1)。期间Amorphisation Si mechano-synthesis SiC的[几个作者所报道的86年,87年]。

2.1。与机械合金化相关现象

马大塑性变形等介绍了高密度的晶格缺陷在准备材料,负责观察到的峰展宽的粉末x射线衍射模式(88年,89年]。除了扩大峰值,峰值也可能变得不对称和/或改变对他们的出口量同行由于塑性变形。所有这些影响衍射的球磨样品(cold-worked)相关的一些微观结构参数,如:晶格参数的变化,残余应力、堆积密度、双/生长断层,连贯地衍射域大小(粒度),r.m.s.晶格应变,位错密度和堆垛层错能。

2.2。准备特制的纳米晶体

所有的微观结构参数可以定量估计通过分析球磨样品使用的x射线衍射模式里特维德的结构优化方法。里特维德的基于结构和微观结构改进的分析方法是最好的方法来描述组织的球磨样品含有不同的晶格缺陷。的微观结构参数直接关系到几个材料的物理性质,控制组织领导一个准备“量身定制”材料理想的属性。

Ghosh和普拉丹90年)机械合金元素Si和C Ar(石墨)粉末在室温下使用高能行星球磨机对不同持续时间,然后连续调查在马的合金化机制修改球磨样品的x射线粉末衍射图样。球磨样品的显微结构的描述,由作者完成,里特维德的分析,表明早期的铣、石墨层分布在Si nano-grain边界非常薄层和完整的纳米晶体的形成SiC阶段观察铣(图15 h后1)。

3所示。结论:目标尚未达成

随着硅基微电子设备正接近物理极限,不断推高发展更好更快的设备和计算能力促使替代材料的发展。在这方面,在大功率碳化硅是一个很好的候选人,高温、高频应用程序。

广泛研究碳化硅纳米结构,如纳米晶体,纳米线,纳米管和纳米尺度的电影开始于1990年代中期,我们有目标,本文在回顾SiC纳米结构的作用领域的照片科学,广义上说,已经发表在过去的几年中。然而,应该注意的是,研究碳化硅纳米结构仍处于开始阶段。与纳米硅、碳化硅纳米结构受到数量小得多的理论和实验工作致力于光致电子流程的理解。虽然清楚量子约束3 c-sic被观察到的91年),具体缺陷或表面状态负责观察发光尚未明确确定。需要更多的实验和理论工作。最后,只有一些理论研究碳化硅纳米结构。更好的理解这些纳米结构的各种属性是必要的为了实现其全部潜力。

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