Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1 . Методы синтеза наночастиц и нанопорошков 1.1. Конденсация паров и газофазный синтез О дин из самых простых способов получения наночастиц за- ключается в конденсации пара вещества в разреженной инертной атмосфере. Этим методом можно получить как наночастицы простого вещества, так и сплава. Если необходимо син- тезировать наночастицы соединения металла, например оксида, ни- трида, карбида, то в атмосферу необходимо добавить соответствую- щий реакционный газ — кислород, азот, углекислый газ, метан и др. Для создания пара вещества проще всего использовать процесс испа- рения. Атомы вещества, перешедшие в пар, быстро теряют свою ки- нетическую энергию из-за столкновений с атомами инертного газа и образуют наночастицы. При синтезе наночастиц соединения про- исходит еще и взаимодействие металла с реакционным газом. Для по- лучения наночастиц заданного размера необходимо подбирать кон- кретное давление инертного газа. В газовой фазе наиболее часто проводят следующие процессы: ис- парение — конденсация (испарение в электрической дуге и в плазме); осаждение; топохимические реакции (восстановление, окисление, раз- ложение частиц твердой фазы). В процессе «испарение — конденса- ция» жидкие или твердые вещества испаряются при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последу- ющей конденсацией пара в охлаждающей среде или на охлажденных поверхностях специальных устройств. Этот способ позволяет получать 9 1.1. Конденсация паров и газофазный синтез частицы размером от 2 нм до нескольких сотен. Наночастицы разме- ром несколько нанометров могут иметь форму, близкую к шарообраз- ной, а у более крупных частиц может появляться огранка. Крупные на- ночастицы могут иметь высокое аспектное отношение. Если проводить испарение вещества в режиме, когда нет столкно- вения между молекулами (в частных случаях атомами, ионами, кла- стерами) в пространстве диафрагмы, то длина свободного пробега молекул λ м > d д (d д — диаметр диафрагмы). Истечение пучка молекул из нагревательной камеры будет эффузионным; интенсивность пуч- ка J на расстоянии r от источника пропорционально J ~ λ м d д 2 P cosθ/ 4 r 2 √(MT), где P — давление в камере; θ — угол между направлением пучка и нор- малью к плоскости отверстия; М — молекулярная масса; Т — темпе- ратура источника тепла. Как видно из выражения, интенсивность пучка J ~ 1/r 2 , т. е. рас- пределение распыляемых молекул в пространстве приблизительно та- кое же, как и для источника. Другими словами, испускаемые молеку- лы распространяются в вакууме по законам геометрической оптики. Молекулярные пучки, получаемые при эффузионном истечении ис- паряющихся частиц, обладают малой интенсивностью порядка от 10 12 до 10 14 молекул/(см 2 ·с). Температуру источника выбирают в зависи- мости от требуемой интенсивности молекулярного пучка и равновес- ного давления над испаряемым веществом. Она может быть выше или ниже температуры плавления вещества. Необходимо отметить, что некоторые вещества (например, Sn и Ge) испаряются как в виде отдельных атомов, так и в виде малых кластеров. В молекулярных пучках малой интенсивности, получаемых при эффузионном истечении через отверстие в нагревательной каме- ре, наблюдается равномерное распределение кластеров малых разме- ров. Основным достоинством метода молекулярных пучков является возможность достаточно точно регулировать интенсивность пучка и управлять скоростью подачи частиц в зону конденсации. Систематическое исследование образования наночастиц этим ме- тодом было выполнено на металлах Zn, Cd, Se, As и Au. Были получены |