Silicio Es el segundo elemento más abundante en la Tierra, después del oxígeno. Su abundancia y bajo costo lo convierten en uno de los materiales inorgánicos más fácilmente disponibles. En los avances tecnológicos contemporáneos, la nanomaterialización puede mejorar significativamente las diversas propiedades del silicio. Esto tiene un amplio potencial para aplicaciones en materiales de ánodo basados en silicio, células fotovoltaicas, luminiscencia, biomedicina y otros campos. El nanosilicio se refiere a partículas de silicio a escala nanométrica. El polvo de nanosilicio se caracteriza por su alta pureza y tamaño pequeño. tamaño de partículay una distribución uniforme. Además, posee una gran área superficial, alta actividad superficial y baja densidad aparente. El producto es atóxico e inodoro. Actualmente, los principales métodos para preparar polvo de nanosilicio incluyen la molienda mecánica de bolas, químico deposición de vapor (CVD) y condensación por evaporación de plasma.
Mecánico Molienda de bolas Método
Este método implica la rotación mecánica y la interacción de partículas. Esto genera presión de molienda mecánica y fuerza de corte. Muele materiales de silicio de mayor tamaño hasta obtener un polvo nanométrico. El proceso suele utilizar molienda en arena húmeda combinada con secado por aspersión. Se añaden coadyuvantes de molienda durante el proceso. También se requieren procedimientos de postratamiento. Las nanopartículas de silicio resultantes tienen un tamaño aproximado de 100 nm. Este tamaño puede reducirse aún más a 75-80 nm. Los expertos del sector creen que, antes de que llegue el período de aumento del volumen del material del ánodo de silicio-carbono, la optimización de la cadena de proceso y de los equipos en el proceso de molienda de bolas será clave. Esto ayudará a lograr el mejor equilibrio entre el rendimiento del producto y su coste.
Método de deposición química de vapor
La deposición química en fase de vapor (CVD) utiliza silano (SiH₄) como material de reacción. Se utiliza para producir nanopolvo de silicio. Según la fuente de energía empleada para inducir la pirólisis del SiH₄, la CVD se puede dividir en deposición química en fase de vapor asistida por plasma (PECVD), deposición química en fase de vapor inducida por láser (LICVD) y reactores de lecho fluidizado (FBR). Entre estas, la PECVD y la LICVD son las tecnologías de producción industrial más utilizadas para el nanopolvo de silicio.
Método de evaporación y condensación de plasma
Este método se ha utilizado en la última década para producir polvos de alta pureza, ultrafinos, esféricos y de alto valor añadido. Es un método seguro y eficiente. Se utilizan fuentes de calor de plasma para vaporizar la materia prima en átomos gaseosos, moléculas o iones parcialmente ionizados. Posteriormente, se condensan rápidamente en polvo sólido. Este método es adecuado para la preparación de diversos nanomateriales metálicos. También es ideal para nanomateriales de carburo y nitruro. El nanopolvo de silicio producido mediante este método presenta alta pureza, tamaño de partícula controlable y alta eficiencia de producción. Es la tecnología principal utilizada por los principales fabricantes extranjeros. Sin embargo, su introducción en China ha sido relativamente tardía. La investigación en este campo aún se encuentra en sus etapas iniciales. Persisten desafíos en áreas como la investigación teórica fundamental y los estudios de rendimiento de las nanopartículas. También persisten problemas relacionados con el rendimiento y la tasa de producción. La producción de nanopolvo de silicio de alto rendimiento aún no se ha controlado de forma totalmente independiente en China.
Materiales de ánodo a base de silicio
En los últimos años, el rápido desarrollo de las baterías de litio ha puesto el foco en los materiales de ánodo de silicio. Estos materiales son un componente esencial para las baterías de litio de alta densidad energética de próxima generación. Sin embargo, el silicio experimenta una expansión de volumen significativa durante la litiación. Esta expansión requiere la optimización del material activo para mantener procesos reversibles de aleación y desaleación. Esta optimización previene la fragmentación o degradación del material activo. Por lo tanto, los ánodos de silicio nanoestructurados pueden lograr una estabilidad de rendimiento a largo plazo, a diferencia de los ánodos de silicio tradicionales de tamaño micrométrico.
Campo de células fotovoltaicas
El nanosilicio se utiliza en la producción de células fotovoltaicas de película delgada basadas en silicio de segunda generación. En concreto, se utiliza en células de película delgada de silicio microcristalino. La tecnología de células de película delgada basadas en nanosilicio presenta ventajas únicas sobre otras tecnologías basadas en silicio de segunda generación. Sin embargo, la preparación del nanosilicio y su aplicación en células fotovoltaicas aún se encuentran en una fase incipiente. Las células fotovoltaicas de segunda generación tienen una cuota de mercado relativamente baja y aún no se han generalizado.
El silicio nanocristalino de alta pureza se utiliza para fabricar pasta electrónica de silicio. Esta pasta se aplica sobre la superficie de los sustratos de las células solares. Mejora la eficiencia de conversión de las células solares de silicio. Esto se ha convertido en una tendencia importante en la industria solar.
Campo de iluminación
Al controlar el diámetro de las nanopartículas de silicio, se puede lograr una emisión de espectro completo, desde luz azul hasta luz roja. Además, se puede lograr electroluminiscencia controlada electrónicamente.
Campo de la biomedicina
Gracias a su baja toxicidad y biocompatibilidad, los biomateriales de silicio han desempeñado un papel indispensable en la biomedicina desde hace mucho tiempo. Desde 2001, las nanopartículas mesoporosas de silicio se han utilizado ingeniosamente como transportadores para la administración de fármacos. Los nanomateriales de silicio de dimensión cero han experimentado un amplio desarrollo en aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, se han desarrollado puntos cuánticos de silicio con buena biocompatibilidad como novedosas sondas de imagen biológica. Esto se inspira en las propiedades fotoluminiscentes de los puntos cuánticos semiconductores causadas por efectos de confinamiento cuántico.
Otras aplicaciones
Además de las aplicaciones mencionadas, el nanosilicio se utiliza para preparar rectificadores de alta potencia, transistores de alta potencia, diodos, dispositivos de conmutación, dispositivos semiconductores discretos, dispositivos de potencia, circuitos integrados y sustratos epitaxiales. También se utiliza como materia prima para recubrimientos de alta temperatura y materiales refractarios, resistentes a la corrosión y antiestáticos. El nanosilicio, al mezclarse a alta presión con diamantes, forma materiales compuestos de carburo de silicio y diamante. Estos se utilizan para herramientas de corte. Asimismo, se utiliza en la preparación de hierro fundido con alto contenido de silicio, acero al silicio y diversos compuestos organosilícicos.
Polvo épico
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