Одномерные наноструктуры, такие как проволоки, стержни, полосы, трубки и т.д., привлекают внимание исследователей своими уникальными свойствами и возможностью создания различных наноразмерных устройств на их основе. Карбид кремния SiC – важный полупроводник, который может быть использован в устройствах, работающих при высоких температурах, на больших частотах и в довольно жестких условиях. Механические свойства нанопроволок карбида кремния превосходят таковые для объемного материала, а также они проявляют хорошие излучательные свойства. Нанотрубки из диоксида кремния SiO
2 обладают множеством потенциальных применений, например, в биоанализе, катализе и оптике.
Китайские исследователи решили объединить эти два материала в композит в виде нанокабелей, имеющих сердцевину из SiC и оболочку из аморфного SiO
2. Такой наноматериал интересен также тем, что представляет собой полупроводник, покрытый слоем диэлектрика, поэтому множество работ посвящено его получению. Однако обычно длина нанокабелей не превосходит 100 мкм, толщина сильно варьируется, а выход очень мал.
Композитные нанокабели были получены методом пиролиза полидиметилсилоксана (ПДМС) в присутствии ферроцена в атмосфере аргона при 1050 °C. Ферроцен был впервые использован для получения подобных материалов.
Длина полученных нанопроволок находится в миллиметровом диапазоне, в то время как около 85 % из них имеет диаметр 5-10 нм. Диаметр остальных не превышает 50 нм. На торцах многих проволок имеются сферические наночастицы железа, что свидетельствует об их росте по механизму ПЖК. По данным HRTEM нанокабели состоят из кристаллического ядра и аморфной оболочки, а по данным SAED (Selected area electron diffraction) и EDS (Еnergy dispersive X-ray spectroscopy) cердцевина является карбидом, а оболочка диоксидом кремния. Также в структуре ядра были выявлены дефекты упаковки и двойники. От некоторых проволок под прямым углом отходят отростки, образующиеся на дефектах упаковки.
Был предложен следующий механизм формирования нанокабелей. При нагревании исходной смеси ферроцен и ПДМС испаряются. ПДМС разлагается на CH
4, C
2H
6, C, SiO и H
2. Углеводородный газ взаимодействует с поверхностью шамотного кирпича печи, и образуется углеродный слой. Ферроцен восстанавливается водородом до железа, которое образует капли на поверхности слоя углерода. SiO и C диффундируют внутрь этих капель и реагируют с образованием карбида и диоксида кремния. Так как температура плавления SiC намного выше, чем SiO
2, то карбид затвердевает первым, образуя наностержень, а потом на его поверхности формируется слой SiO
2.
Работа
«Ultra thin and ultra long SiC/SiO2 nanocables from catalytic pyrolysis of poly(dimethyl siloxane)» (doi:10.1088/0957-4484/18/48/485601) была опубликована в журнале
Nanotechnology.
