Попов, КР№2 / Лекция 6 / 1-4

ЛЕКЦИЯ 6

1. 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

2. 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.

3. 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.

4. 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.