Получение наночастиц из пересыщенных паров металлов

В основе метода лежит классическая теория нуклеации , основанная на предположении, что зарождающиеся кластеры новой фазы (наночастицы) описываются моделью сферической жидкой капли. Существует несколько вариантов установок для получения наночастиц (кластеров), различающихся способом испарения металла; это может быть лазерное испарение , термическое испарение, дуговой разряд, плазма, солнечная энергия; в каждом из перечисленных методов имеются варианты установок, отличающиеся техническими решениями тех или иных узлов; кроме того, для тех же целей может быть использован лазерный фотолиз летучих металлсодержащих соединений (чаще всего – карбонилов металлов). В любом из перечисленных методов испарения металла может быть два окончания – исследование физико-химических характеристик наночастиц в газовой фазе (до осаждения на подложку) или изучение свойств порошка или пленки, получающихся в результате осаждения паров металла на подложку; отдельный (и достаточно подробно изученный) вопрос – осаждение в матрицу, чаще всего – инертных газов. Образующиеся при этом наночастицы химически очень чистые (однородные по составу), не имеют пор и других морфологических неоднородностей. Рассмотрим метод термического испарения, так как этот метод позволяет контролировать многие параметры частицы, в отличие от остальных методов. Подробнее в описании самого метода.

Термическое испарение. В классическом варианте метода навеску металла или сплава нагревают в вольфрамовой лодочке в токе аргона или гелия; за счет межатомных столкновений с атомами инертного газа атомы испаряемого металла теряют свою кинетическую энергию, агрегируют в наночастицы и конденсируются в виде ультрадисперсного порошка на охлаждаемой подложке. Метод позволяет контролировать размеры частиц в интервале 3-100 нм, меняя скорость испарения, давление газа и его природу, температуру подложки. Как правило, перед тем, как открыть установку и вынуть образец, наночастицы пассивируют пропусканием в течение нескольких минут инертного газа, обогащенного кислородом.

Лазерное испарение. Метод лазерного испарения вещества основан на удалении вещества с поверхности при её лазерном облучении. Метод делится на несколько этапов: испарение материала с мишени, развитие плазменного факела из частиц облучаемого вещества, осаждение и рост кристаллического материала на подложке. Этот процесс может использоваться для химического анализа веществ, а также в технологиях обработки поверхности и для создания различных наноструктур.[2]

Дуговой разряд. Сущность метода заключается в способе получения наночастиц в вакуумном дуговом разряде, включающем вакуумирование камеры с размещенными в ней катодом и анодом, инициацию и поддержание дуговых плазменных микроразрядов между катодом и анодом в катодных пятнах при приложении напряжения не менее 10 В, синтез наночастиц и их осаждение на коллектор или носитель, при этом давление в камере поддерживают не более 10 Па, а синтез наночастиц проводят путем испарения при разрядном токе не менее 1 А материала катода, естественного расширения пара из катодных пятен в вакуум и/или низкоплотную холодную плазму межэлектродного промежутка, его охлаждения и нуклеации в зоне или зонах первичного синтеза и/или путем транспортировки при помощи электромагнитных полей несинтезированной при испарении и естественном расширении в вакуум ионизированной части пара в зону или зоны вторичного синтеза и его обработки в этих зонах низкотемпературной плазмой и/или химическим газообразным агентом и/или ионным и/или электронным и/или молекулярным пучком, а варьирование производительностью процесса синтеза наночастиц осуществляют изменением величины разрядного тока между катодом и анодом.[3]