宏观块材SiC是一种性能卓越的第三代半导体材料，其关键性质源于其强大的Si-C共价键和独特的晶体结构。

• 极高的硬度与耐磨性: SiC的莫氏硬度高达9.0-9.5，仅次于金刚石，是一种极其坚硬耐磨的材料，被广泛用作磨料。
• 优异的热学性能: 具有非常高的热导率和极低的热膨胀系数，使其能够高效散热且热稳定性极佳，是制造高温、高功率电子器件的理想材料。
• 卓越的化学惰性: 强大的Si-C键使其在高温、强酸、强碱等极端腐蚀性环境中仍能保持稳定。
• 宽带隙半导体: SiC具有宽带隙（2.3-3.3 eV），使其能够承受比硅(Si)高得多的击穿电场和工作温度。

当SiC的尺寸缩小到纳米尺度（特别是小于其激子波尔半径~2.7 nm）时，会涌现出全新的、由量子效应主导的光学特性。

• 量子限域效应与尺寸依赖性荧光: 这是SiC纳米颗粒最核心、最重要的纳米效应。尽管块材SiC是间接带隙半导体，发光效率很低，但当其尺寸缩小为碳化硅量子点 (SiC QDs) 时，强烈的量子限域效应会使其转变为高效的准直接带隙发光体。其发射波长与颗粒尺寸严格相关，尺寸越小，发光波长越短（蓝移）。通过精确控制尺寸，可以实现从蓝光到绿光甚至黄光区域的颜色可调谐荧光发射。
• 高光稳定性与低毒性: 源于SiC本身的化学惰性，SiC量子点的荧光具有极高的抗光漂白能力和化学稳定性。更重要的是，它不含任何有毒重金属元素（如Cd, Pb），使其成为一种理想的生物相容性荧光探针。

作为一种经典的半导体材料，对SiC进行元素掺杂是调控其电学性质、构筑电子器件的核心手段。其主要目标是实现可控的n型和p型导电。

目标: 通过引入施主杂质，增加材料中的自由电子浓度，使其成为n型半导体。

• 氮 (N): 氮原子是SiC中最常用、最有效的n型掺杂剂。N原子进入晶格后会取代碳 (C) 的位置。由于N原子比C原子多一个价电子，这个多余的电子很容易被电离成为导带中的自由电子。
• 磷 (P): 磷原子也可以作为n型掺杂剂，它通常取代的是硅 (Si) 的位置。

目标: 通过引入受主杂质，增加材料中的空穴浓度，使其成为p型半导体。

• 铝 (Al): 铝是SiC中最成熟、最主要的p型掺杂剂。Al原子进入晶格后会取代硅 (Si) 的位置。由于Al比Si少一个价电子，它会从价带中束缚一个电子，从而在价带中留下一个可移动的空穴。
• 硼 (B): 硼也是一种有效的p型掺杂剂，同样取代的是硅 (Si) 的位置。

通过选择性地进行n型和p型掺杂，可以在同一块SiC材料上构建出p-n结。这是制造所有SiC基电子器件的基础，如二极管、晶体管、功率器件（MOSFETs）和发光二极管（LEDs）等。这些器件被广泛应用于电动汽车、充电桩、光伏逆变器和5G通信等需要高效率、高功率、耐高温的领域。

纯的SiC纳米颗粒自身催化活性有限。然而，由于其无与伦比的稳定性，它在催化领域扮演着一个不可或缺的角色——作为一种极端条件下的高性能催化剂载体。

当催化反应需要在极其苛刻的条件下进行时，传统的载体（如活性炭、氧化铝、二氧化硅）可能会被腐蚀、氧化或结构坍塌，而SiC则能表现出卓越的稳定性。

• 超强的耐腐蚀性: SiC能够抵御除氢氟酸和熔融碱之外的几乎所有强酸和强碱的腐蚀。这使其可以作为在强酸/强碱介质中进行催化反应的理想载体。
• 优异的抗氧化性和高温稳定性: SiC在高温下具有很强的抗氧化能力（表面会形成致密的SiO₂保护层），且自身分解温度极高。这使其非常适合用于需要高温（>800 °C）的催化过程，如甲烷重整、高温氧化等，而传统的碳载体在这些条件下早已被烧蚀。
• 高热导率: SiC极高的热导率有助于快速导出或导入强放热或强吸热反应中的热量，避免催化剂床层中出现“热点”，从而提高催化剂的稳定性和反应选择性。

碳化硅纳米颗粒，特别是碳化硅量子点 (SiC QDs)，凭借其独特的光学特性和优异的生物相容性，已成为生物成像领域一种极具潜力的新型荧光探针。

SiC QDs的出现，旨在解决传统荧光探针（如有机染料和重金属量子点）的固有缺陷。

• 优异的光学性能:
  • 高光稳定性: 与容易光漂白的有机染料不同，SiC QDs的荧光非常稳定，可以承受长时间的激光照射而不淬灭，非常适合需要长时间追踪的活细胞成像。
  • 颜色可调谐: 通过控制量子点的尺寸，可以方便地调节其发射光的颜色，实现多色成像。
  • 长荧光寿命: SiC QDs通常具有较长的荧光寿命（数十纳秒），这使其能够通过时间分辨成像技术，有效排除生物组织中荧光寿命极短的自发荧光背景干扰，获得信噪比极高的图像。
• 卓越的生物相容性:
  • 无重金属毒性: 这是SiC QDs相比于传统的CdSe或PbS量子点的最大优势。它由生物相容的Si和C元素组成，从根本上避免了重金属离子泄漏带来的细胞毒性问题。
  • 高化学惰性: SiC的化学性质极为稳定，在复杂的生理环境中不易被溶解或腐蚀，保证了其作为探针的长期稳定性。

由于SiC纳米颗粒是致密的非孔结构，其在药物递送方面的应用不如介孔二氧化硅。然而，利用其独特的光热转换能力，它在肿瘤的物理治疗领域展现出了一定的应用潜力。

PTT是一种利用光热转换剂将光能转化为热能，通过局部高温（>42 °C）来烧蚀癌细胞的治疗方法。

• 光热转换剂: 研究发现，特定尺寸或经过表面修饰的SiC纳米颗粒在近红外（NIR）光区具有一定的吸收。近红外光对生物组织的穿透深度较深，是PTT理想的光源。
• 治疗原理:
  1. 将SiC纳米颗粒通过静脉注射等方式引入体内。
  2. 利用肿瘤组织独特的EPR效应（增强渗透和滞留效应），SiC纳米颗粒会选择性地富集在肿瘤部位。
  3. 使用外部的近红外激光照射肿瘤区域，富集在肿瘤处的SiC纳米颗粒吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而诱导癌细胞凋亡或坏死。
• 优势: 相比于贵金属（如金纳米棒）等光热剂，SiC具有成本更低、生物相容性更好的潜在优势。

碳化硅（SiC）通常被认为是一种生物相容性极好、化学性质稳定的材料。然而，其纳米形态的毒理学仍需根据其具体的理化性质进行评估。

• 高化学惰性与低细胞毒性: SiC由强共价键构成，化学性质极为稳定，在生理环境中几乎不溶解，也不会释放有毒离子。大量的体外细胞实验表明，球形的SiC纳米颗粒（特别是量子点）表现出非常低的细胞毒性，远低于含重金属的量子点。
• 生物持久性 (Non-biodegradable): 这是SiC与非晶态二氧化硅的一个核心区别。SiC在生理条件下是不可生物降解的。这意味着一旦进入体内，如果不能被有效清除，它们可能会在器官（如肝、脾）中长期蓄积。因此，对于SiC纳米材料的长期生物安全性评估至关重要。

• 形态与尺寸: 与二氧化硅纳米管类似，SiC的毒性也高度依赖于其形态。对于生物应用，应尽量使用尺寸小于100 nm的球形或准球形纳米颗粒，它们可以被免疫系统有效清除。必须严格避免使用长的、刚性的碳化硅晶须（whiskers），因为它们可能引发与石棉类似的纤维状毒理学效应。
• 表面化学: 未经修饰的SiC纳米颗粒容易在生理盐溶液中团聚，并与血清蛋白非特异性吸附。通过聚乙二醇（PEG）等亲水性高分子进行表面修饰，可以大大提高其胶体稳定性，减少蛋白吸附，降低免疫原性，并延长其在血液中的循环时间。

SiC纳米颗粒的合成通常需要较高的能量输入（如高温或高能脉冲），其合成方法与二氧化硅有很大区别。

这类方法从块状的SiC材料出发，通过物理或化学手段将其破碎或剥离成纳米尺寸的颗粒。

• 电化学刻蚀法: 这是制备高质量SiC量子点最常用、最有效的方法。将一块SiC晶片作为阳极，在氢氟酸（HF）等电解液中进行阳极氧化。通过精确控制电流密度和刻蚀时间，可以在晶片表面形成多孔SiC层，再通过超声波将其剥离下来，即可得到尺寸均一的SiC量子点。
• 激光烧蚀法: 在液体（如乙醇或水）中，使用高能量的脉冲激光聚焦于一块高纯的SiC靶材。瞬间的高温高压会将靶材表面气化成等离子体，随后这些等离子体在液体中快速冷却、凝聚，形成纳米颗粒。

这类方法从分子或原子级别的“前驱体”出发，通过化学反应生成SiC纳米颗粒。

• 溶剂热/水热法: 在高压反应釜中，将含硅源（如四氯化硅）和碳源（如碳粉、富勒烯）的前驱体在一定温度下长时间反应，可以直接合成SiC纳米晶。
• 化学气相沉积/合成 (CVD/CVS): 将含硅和含碳的气体前驱物（如硅烷和甲烷）引入高温反应室，使其在气相中反应生成SiC纳米颗粒，并通过气流收集。

对SiC纳米颗粒的精确表征是理解其半导体和光学性质、确保其应用性能的关键。对其晶体结构和光学特性的分析尤为重要。

• 晶体结构与物相: X射线衍射 (XRD)。XRD是鉴定SiC纳米颗粒同质多型体（Polytype）的关键技术。通过分析衍射峰的位置，可以准确判断其是3C、4H还是6H等晶型，这对理解其电学和光学性质至关重要。
• 形貌、尺寸与晶格: 高分辨透射电子显微镜 (HRTEM)。TEM可以直接观察颗粒的尺寸和形状。HRTEM则能够清晰地看到SiC的晶格条纹，通过测量晶面间距可以进一步佐证其晶型。

• 吸收特性与带隙: 紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis)。用于确定材料的光吸收范围，并可以通过Tauc Plot法估算其光学带隙。
• 发光特性: 光致发光光谱 (PL)。这是表征SiC量子点的核心技术。通过PL光谱可以获得其荧光发射峰的位置（颜色）、峰的宽度（色纯度）等关键信息。结合积分球测量的荧光量子产率 (PLQY) 和时间相关单光子计数（TCSPC）测量的荧光寿命，可以全面评价其作为荧光探针的性能。

• 元素组成与化学态: X射线光电子能谱 (XPS)。可以精确分析材料表面的元素组成，并通过分析Si 2p和C 1s的高分辨谱，判断Si-C键的形成，以及表面是否存在氧化（Si-O键）或其它杂质。

尽管SiC本身化学性质稳定，但为了使其能够在生物体系中稳定分散并连接功能分子，对其进行表面工程是必不可少的一步。

这是对SiC纳米颗粒进行功能化最常用、最成熟的策略，其核心是巧妙地“借用”成熟的二氧化硅表面化学。

• 核心策略:
  1. 可控表面氧化: 首先，通过温和的氧化处理（如在空气中热处理或使用过氧化氢等氧化剂），在SiC纳米颗粒的表面生长一层超薄、致密的二氧化硅 (SiO₂) 壳层。
  2. 经典硅烷化反应: 形成SiO₂壳层后，其表面就富含了与二氧化硅纳米球完全一样的硅醇基 (Si-OH)。接下来，就可以利用所有成熟的硅烷偶联剂（如APTES, MPTMS）对其进行功能化，在表面引入氨基、巯基、羧基等各种活性官能团。
• 优势: 这种方法将对一个“不活泼”表面的修饰问题，转化为了对一个“活泼”表面的成熟修饰问题，极大地拓展了SiC纳米颗粒的应用范围。

• 聚乙二醇化 (PEGylation): 在引入活性官能团（如氨基）后，最关键的一步是通过共价键连接上聚乙二醇 (PEG) 链。PEG链能在颗粒周围形成亲水保护层，阻止蛋白吸附，提高其在生理环境中的胶体稳定性和生物相容性，并实现长循环“隐身”效果。
• 生物分子偶联: 在PEG链的末端可以预留活性基团，用于进一步连接抗体、多肽、核酸等生物识别分子，从而赋予SiC探针主动靶向肿瘤细胞等特定目标的能力。