Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков кислорода и последующего осаждения оксидов на подложку со значе- нием температуры от 350 до 700 K. Основные закономерности образования наночастиц методом ис- парения и конденсации следующие: — образование наночастиц происходит при охлаждении пара в зоне конденсации, которая тем больше, чем меньше давление газа. Внутренняя граница зоны конденсации находится вблизи испарите- ля, а ее внешняя граница по мере уменьшения давления газа может выйти за пределы реакционного сосуда. В процессе конденсации су- щественную роль играют конвективные потоки газа; — при увеличении давления газа до нескольких сотен паскалей средний размер частиц сначала быстро увеличивается, а затем мед- ленно приближается к предельному значению в области давлений бо- лее 2.5 кПа; — при одинаковом давлении газа переход от гелия к ксенону, т. е. от менее плотного инертного газа к более плотному, сопровождается ростом размера частиц в несколько раз; — при одинаковых условиях испарения и конденсации металлы с более высокой температурой плавления образуют частицы мень- шего размера. Регулируя состав газовой фазы, содержащей, поми- мо инертного газа, два элемента и более, можно выращивать разные по форме малые частицы соединений различной степени кристал- личности. Конденсация парогазовой смеси температурой до 500–1000 K мо- жет происходить при ее поступлении в камеру с большим сечением и объемом, заполненную холодным инертным газом; в этом случае охлаждение происходит за счет расширения газовой смеси и контакта с холодной инертной атмосферой. Существуют установки, в которых в камеру конденсации коаксиально поступают две струи: парогазо- вая смесь подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая струя холодного инертного газа. В результате турбулентного смеше- ния температура паров металла понижается, увеличивается пересы- щение, и происходит быстрая конденсация. Самостоятельной задачей является сбор получаемого конденса- цией нанопорошка, т. к. его частицы настолько малы, что находятся в постоянном броуновском движении и остаются взвешенными в дви- жущемся газе, не осаждаясь под действием силы тяжести. Для сбора 15 1.1. Конденсация паров и газофазный синтез получаемых порошков используют специальные фильтры и центро- бежное осаждение; в некоторых случаях применяется улавливание жидкой пленкой. Модификации газофазного получения наночастиц Модификации газофазного метода включают химическое осажде- ние из газовой фазы, метод распылительной сушки, аэрозольный ме- тод, парофазное разложение и т. д. В основе всех этих методов лежит обеспечение перевода прекурсора осаждаемого вещества в газовую фазу. Например, метод парофазного разложения используется для по- лучения наночастиц железа (пирофорное железо) испарением пента- карбонила железа Fe(CO) 5 в токе CO с последующим разложением при температуре от 200 до 600 °C. Размер и фазовый состав формируемых наночастиц определяется как температурой синтеза, так и скоростью подачи прекурсора и расхода газа-носителя. Метод конденсации паров в инертном газе наиболее часто исполь- зуется в научных целях — для получения небольшого количества на- нопорошков. Синтезированные этим методом порошки мало агломе- рируются и спекаются при сравнительно низкой температуре. Модифицированный метод конденсации используют с целью полу- чить керамические нанопорошки из металлоорганических прекурсо- ров. Схема конструкции аппарата для газофазного синтеза (рис. 1.1) включает рабочую камеру, охлаждаемый цилиндр, скребок, воронку, коллектор — приемную емкость для порошка, нагреваемый трубча- тый реактор, устройство для регулируемой подачи испаряемого ма- териала и несущего газа. В трубчатом реакторе испаряемый матери- ал смешивают с несущим инертным газом и переводят в газофазное состояние. Полученный непрерывный поток кластеров или наночастиц по- ступает из реактора в рабочую камеру аппарата, в которой создает- ся давление порядка 50 Па. Конденсация наночастиц и осаждение их в виде порошка происходит на поверхности охлаждаемого вращаю- щегося барабана, с помощью скребка порошок удаляют с поверхно- сти барабана; затем он через воронку поступает в приемную емкость и направляется на дальнейшую переработку. |