Попов, КР№2 / Лекция 6 / 1-4
.docxЛЕКЦИЯ 6
-
Получение наноматериалов при лазерном испарение атомов (абляции) (приведите примеры процесса).
Ла́зерная абля́ция— метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом. При низкой мощности лазера вещество испаряется илисублимируется в виде свободных молекул, атомов и ионов, то есть над облучаемой поверхностью образуется слабая плазма, обычно в данном случае тёмная, не светящаяся (этот режим часто называется лазерной десорбцией). При плотности мощности лазерного импульса, превышающей порог режима абляции, происходит микро-взрыв с образованием кратера на поверхности образца и светящейся плазмы вместе с разлетающимися твёрдыми и жидкими частицами (аэрозоля). Метод лазерного испарения так же используется для получения нанотрубок. А так же для получения наночастиц серебра.
Установка для абляции представляет собой обычную печь с резистивным нагревом, дающую температуру 1200°С. Чтобы получить в ней более высокие температуры, достаточно поместить в печь мишень из углерода и направить на нее лазерный луч, попеременно сканируя всю поверхность мишени. Так группа Смолли, используя дорогостоящие установки с короткоимпульсным лазером, получила в 1995 г. нанотрубки, «значительно упростив» технологию их синтеза. Главным минусом данного метода является широкое распределение по размерам частиц и высокая стоимость лазера и большие требования к нему.
Для получения наночастиц серебра использовали импульсный лазер (рис.10). Раствор нитрата серебра и восстановителя протекал через смеситель, представляющий собой диск, вращающийся в растворе. Нитрат серебра реагировал с восстановителем в горячих областях с образованием наночастиц серебра, выделяемых впоследствии из раствора в центрифуге. На размер частиц можно влиять энергией лазерного луча и скоростью вращения диска. Этот метод обладает высокой производительностью, составляющей 2-3 г/мин.
Рис.10. Установка для получения наночастиц серебра импульсным лазером, с помощью которого производится локальный разогрев поверхности вращающегося диска
Достоинства метода:
-
Высокая производительность: 2-3 г/мин
-
Возможность управления размером и формой частиц
Недостатки:
-
Высокие требования к лазеру (большая мощность, короткий импульс излучения)
- Высокая стоимость
-
Получение наночастиц с помощью плазмы, разогреваемой высокочастотным полем (приведите примеры процесса).
Изначально металл находится в виде прутка в откачной камере. В процессе этот металл разогревается до точки выше точки испарения высоковольтными радиочастотными катушками, обмотки которых находятся снаружи вакуумированной камеры вблизи пестика. Затем в систему впускается Не, что приводит к образованию в области катушек высокотемпературной плазмы. Атомы Не выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металла, и эти комплексы диффундируют к холодному коллектору, где и образуются наночастицы. Частицы обычно пассивируют введением какого-либо газа, например кислорода. В случае наночастиц алюминия кислород формирует слой оксида алюминия на поверхности частицы.
-
Получение наночастиц путем термического разложения твердого вещества (приведите примеры процесса).
Наночастицы могут образовываться в результате разложения при высокой температуре твердых веществ, содержащих катионы металлов, молекулярные анионы или металлорганические соединения. Такой процесс называется термолизом. Например, малые частицы лития можно получить разложением азида лития LiN3. Вещество помещается в откачанную кварцевую трубку и нагревается до 400°С в установке, показанной на рис. 9. При температуре около 370°С азид разлагается с выделением газообразного N2, что можно определить по увеличению давления в вакуумированном пространстве. Через несколько минут давление падает до первоначального уровня, показывая, что весь N2 удален. Оставшиеся атомы лития объединяются в маленькие коллоидные металлические частицы. Таким методом можно получить частицы с размерами менее 5 нм. Частицы можно пассивировать, вводя в камеру соответствующий газ.
Наличие таких наночастиц детектируется методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) электронов проводимости металлических частиц. Достоинствами метода является высокая производительность, недостатком – использование металлоорганических соединений.
-
Установка для получения нанокристаллических порошков методом конденсации паров (схема и принцип действия).
В используемой аппаратуре испарителем является трубчатый реактор, в котором прекурсор смешивается с несущим инертным газом и разлагается. Образующийся непрерывный поток кластеров или наночастиц попадает из реактора в рабочую камеру и конденсируется на холодном вращающемся цилиндре. Успешное проведение процесса обеспечивается малой концентрацией прекурсора в инертном газе, быстрым расширением и охлаждением газового потока при выходе из реактора в рабочую камеру, низким давлением в рабочей камере. Полученные этим способом нанопорошки по своим характеристикам (дисперсному составу, агломерируемости, температуре спекания) не отличается от нанопорошков, синтезируемым стандартным методом испарения и конденсации.