Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков реакционный газ. Образование разных по морфологии монокристал- лических наночастиц соединения происходит в результате взаимодей- ствия реакционного газа с тем или иным химическим элементом, при этом форму образующихся частиц можно регулировать с помощью из- менения состава газовой фазы. Так изменение температуры газовой фазы и отклонение отношения Cd:S в газовой фазе от стехиометриче- ского 1:1 в сторону увеличения содержания кадмия позволяет полу- чать сульфид кадмия CdS в форме призматических пластин, лент, иго- лок, усов, нитей, трубок. Структурной основой роста кристаллов разной формы являются промежуточные кластерные частицы [CdS] n , [Cd 2 S] n , [Cd 3 S] n . Таким образом, соотношение исходных компонентов газовой фазы и температура являются основными факторами, определяющи- ми форму полученных малых частиц, тогда как размер частиц в боль- шей мере зависит от давления инертного газа. Газофазный синтез позволяет получать кластеры и наночастицы размером от 2 до нескольких сотен нанометров. Более мелкие части- цы контролируемого размера получают с помощью разделения кла- стеров по массе во времяпролетном масс-спектрометре. Например, пары́ металла пропускают через ячейку с гелием под давлением меж- ду 1000 и 1500 Па, затем выводят в высоковакуумную камеру (при- мерно 10 –5 Па), где масса кластера устанавливается по времени про- лета определенного расстояния в масс-спектрометре. Таким способом получали кластеры Sb, Bi и Pb, содержащие 650, 270 и 400 атомов со- ответственно; температура газообразного гелия в случае получения паров Sb и Bi составляла 80 K, a паров Pb — 280 K. Нанокристаллические порошки оксидов Al 2 O 3 , ZrO 2 получали испа- рением оксидных мишеней в атмосфере Не, магнетронным распыле- нием Zr в смеси Ar и O, контролируемым окислением нанокристаллов Y. Для получения высокодисперсных порошков нитридов переходных металлов использовали электронно-лучевой нагрев мишеней из соот- ветствующих металлов. Испарение проводили в атмосфере азота или аммиака при давлении 130 Па. Так, были получены наночастицы кар- бидов, оксидов и нитридов с помощью импульсного лазерного нагрева металлов в разреженной атмосфере метана (в случае карбидов), кис- лорода (в случае оксидов), азота или аммиака (в случае нитридов). Импульсное лазерное испарение металлов в атмосфере инертного газа (Не или Аr) и газа-реагента (O 2 , N 2 , NН 3 , СН 4 ) позволяет получать 13 1.1. Конденсация паров и газофазный синтез смеси нанокристаллических оксидов различных металлов, окcидно- нитридные или карбидно-нитридные смеси. Состав и размер наноча- стиц можно контролировать изменением давления и состава атмос- феры (инертный газ и газ-реагент), мощностью лазерного импульса, температурного градиента между испаряемой мишенью и поверхно- стью, на которую происходит конденсация. Наночастицы алмаза можно получать из газовой фазы, перенасы- щенной по содержанию углерода (CO 2 , метан, ацетилен, пропан, дру- гие углеводороды), но при давлении ниже атмосферного. Конденсации углерода из газовой фазы и образованию зародышей алмаза способ- ствует избыточная поверхностная энергия на границе раздела твер- дое–газ. Осаждение алмазных наночастиц нашло наибольшее приме- нение для создания алмазных и алмазоподобных пленок и покрытий. Наночастицы сплавов, богатых железом, Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Pt, Fe-Co получали в аргоне при давлении 400 Па. Осажденные части- цы имеют сферическую форму, средний размер частиц составляет (25 ± 5) нм. Наночастицы являются двухфазными (ОЦК и ГЦК), что соответствует термодинамическому равновесию компонентов в этих сплавах. Нанопорошки керамических материалов можно получать из ме- таллоорганических прекурсоров. Прекурсор смешивают с несущим инертным газом в нагреваемом трубчатом реакторе, выполняющем роль испарителя, в результате термического разложения прекурсора возникает непрерывный поток кластеров или наночастиц, который попадает из реактора в рабочую камеру и конденсируется на холо- дильнике, имеющем форму вращающегося цилиндра. Этим методом при использовании такого прекурсора, как гексаметилдилазан, уда- лось получить нанокристаллические порошки SiC x N y . Введение в несу- щий газ наряду с тем же прекурсором воды H 2 O, водорода H 2 или ам- миака NH 3 позволило синтезировать нанопорошки SiO 2 , SiC и Si 3 N 4 . Успешное проведение процесса обеспечивается малой концентраци- ей прекурсора в инертном газе, быстрым расширением и охлаждени- ем газового потока при выходе из реактора в рабочую камеру, низким давлением в рабочей камере. Пленка из оксида циркония ZrO 2 , легированного оксидом иттрия YO 2 , со средним размером кристаллитов от 10 до 30 нм была получена с помощью импульсного лазерного испарения металлов в пучке ионов |