Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков наночастицы размером от 2 до 100 нм и было показано, что оптималь- ное давление инертного газа составляет от 40 до 400 Па. Наночасти- цы можно также получать методом диспергирования металла с по- мощью электрической дуги в жидкости и последующей конденсации металлического пара в парах жидкости. Метод молекулярных пучков малой интенсивности часто комбини- руют с химическими способами осаждения. Осаждение осуществля- ют вблизи холодной поверхности специального устройства, например цилиндра, или непосредственно на поверхности при контролируемой температуре и пониженном давлении для уменьшения вероятности столкновения частиц. газофазный синтез с конденсацией паров, иначе метод испаре- ния и конденсации, (англ. gasphase synthesis with vapor condensation, или evaporation-condensation method ) — это метод получения нанопорошков металлов, сплавов или химических соединений путем конденсации их паров вблизи холодной поверхности или на ней при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления. Это самый простой способ получения нанокристаллических порошков ввиду его высокой производительности. В отличие от испарения в вакууме, ато- мы вещества, испаренного в разреженной инертной атмосфере, бы- стрее теряют кинетическую энергию из-за столкновений с атомами газа и образуют кластеры. При их конденсации образуются нанокри- сталлические вещества. Изучение испарения Zn, Cd, Se, As, Ge, Si, ZnO, SnO 2 в H, N, CO 2 и вакууме показало, что размер получаемых частиц за- висит от давления и атомной массы инертного газа. Установки, использующие принцип испарения — конденсации, различаются способом ввода испаряемого материала, методом под- вода энергии для испарения, рабочей средой, организацией процесса конденсации, системой сбора полученного порошка. Испарение ме- талла может происходить из тигля, или металл может поступать в зону нагрева и испарения в виде проволоки, впрыскиваемого металличе- ского порошка или в струе жидкости. Подвод энергии может осущест- вляться с помощью непосредственного нагрева, пропускания элек- трического тока через проволоку, электродугового разряда в плазме, индукционного нагрева токами высокой и сверхвысокой частоты, ла- зерного излучения, электронно-лучевого нагрева. Испарение и кон- денсация могут протекать в вакууме, в неподвижном инертном газе, 11 1.1. Конденсация паров и газофазный синтез в потоке газа, в струе плазмы. В зависимости от условий испарения металла (давление газа, расположение и температура подложки) его конденсация может происходить как в объеме, так и на поверхности реакционной камеры. Для объемных конденсатов более характерны частицы сферической формы, тогда как частицы поверхностного кон- денсата имеют огранку. При одинаковых условиях испарения и кон- денсации металлы с более высокой температурой плавления образу- ют частицы меньшего размера. Как уже отмечалось, форма наночастиц, получаемых методом га- зофазного синтеза, зависит от их размера. Мелкие наночастицы могут иметь шарообразную форму, а крупные — быть ограненными и быть вытянутыми или сплющенными. Это прямое следствие увеличения вклада поверхностной энергии в общую энергию наночастицы при уменьшении ее размера. Еще одно интересное явление, следующее из малого размера изолированных нанокристаллов и связанное с их энергией, — отсутствие в изолированных нанокристаллических ча- стицах дислокаций, которые оказываются энергетически менее вы- годны, чем дисклинации. В методе газофазного синтеза наночастицы образуются в резуль- тате охлаждения парогазовой смеси, содержащей наряду с инертным газом один, два или более химических элементов. Охлаждение про- исходит в зоне конденсации, размер которой для данного реакцион- ного сосуда можно регулировать, изменяя давление инертного газа, т. к. уменьшение давления увеличивает зону конденсации, а рост дав- ления ее уменьшает. С изменением давления инертного газа связан размер получаемых наночастиц. Эта связь осуществляется как непо- средственно, так и опосредованно, через размер зоны конденсации. Увеличение давления газа повышает его плотность и скорость тепло- отвода, что снижает скорость образования центров кристаллизации в газовой фазе и увеличивает скорость роста кристаллов. В результа- те при прочих равных условиях повышение давления инертного газа или использование более плотного инертного газа сопровождается увеличением размера получаемых частиц. Поэтому для газофазного синтеза мелких наночастиц размером до 10 нм давление инертного газа (Не, Ar, Xe) поддерживается на уровне не более 40 Па. Для получения соединений наночастиц с помощью газофазного синтеза помимо испарения металла в инертную газовую среду вводят |