3. Сверхзвуковое истечение газов из сопла (кластерные пучки большой интенсивности)

Сущность. Молекулярные пучки большой интенсивности с более низкой температурой по сравнению с эффузионными ис­точниками можно получить с помощью сверхзвукового истече­ния газа из сопла. Образовавшийся в источнике относитель­но плотный горячий пар вещества термостатируется в камере торможения и выпускается через сопло с отверстием определенного диаметра в вакуум или буферный газ, образуя расширяю­щийся пучок частиц с малым углом расхождения.

Хаотическая тепловая энергия частиц пара в камере тормо­жения трансформируется в направленную кинетическую энер­гию сверхзвукового потока. Сформировавшийся пучок движется в направлении от плоскости среза сопла к подложке и расширя­ется, что приводит к его охлаждению. В результате охлаждения газ превращается в перенасыщенный пар, внутри которого за­рождаются кластеры.

Размер наноструктур. Металлические кластеры от двух до 106 атомов, наноструктурные покрытия.

Регулирование. Температура и давление в камерах, диаметр отверстия d.

Модификации. Одна из модификаций метода - газо­динамическое генерирование кластеров - заключается в про­хождении молекулярного пучка через камеры с различными температурами и давлениями, которые позволяют формировать кластеры заданных размеров.

Ионизация пучка кластеров дает возможность четкой селек­ции по массе и размеру образующихся частиц.

Нагрев исходного материала может осуществляться с помо­щью резистивных нагревателей или с помощью лазера.

Достоинства. Узкое распределение по размерам частиц, возможность селекции по размерам.

Недостатки. Дорогостоящее оборудование.

Применение. Напыление пленок и чистка поверхности, син­тез порошков силазана

4. Газофазный синтез (конденсация паров, аэрозольный метод,pvd)

Сущность. Изолированные наночастицы обычно получают испарением металла, сплава или полупроводника при контроли­руемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давле­ния с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности.

Для сбора получаемых порошков используют специальные фильтры, центробежное осаждение, улавливание жидкой пленкой.

Размеры наноструктур. Сферические и ограненные ме­таллические, оксидные, карбидные, нитридные частицы разме­ром от двух до нескольких сотен нанометров.

Регулирование. Давление и состав газа, расположение и температура подложки (или температурный градиент).

Модификации. Установки различаются способом ввода ис­паряемого материала; способом подвода энергии для испарения; рабочей средой; организацией процесса конденсации; системой сбора полученного порошка.

Испарение материала может происходить из тигля, или же металл поступает в зону нагрева в виде проволоки, в виде впры­скиваемого металлического порошка, в струе жидкости. Подвод энергии может осуществляться непосредственным нагревом, пропусканием электрического тока через проволоку, индукци­онным нагревом токами высокой и сверхвысокой частоты, ла­зерным излучением, электронно-лучевым нагревом. Испарение и конденсация могут происходить в неподвижном инертном газе или в его потоке.

Конденсация парогазовой смеси может происходить при ее поступлении в камеру с большими сечением и объемом, запол­ненную холодным инертным газом. Охлаждение будет происхо­дить как за счет расширения, так и благодаря контакту с холодной инертной атмосферой. Существуют установки, в которых в каме­ру конденсации коаксиально поступают две струи - парогазовая смесь подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая струя холодного инертного газа. В результате турбулентного сме­шивания температура паров металла понижается, увеличивается пересыщение, и происходит быстрая конденсация. Благоприят­ные условия конденсации паров создаются при адиабатическом расширении в сопле Лаваля. Для стабилизации наночастиц ис­пользуется не только холодная подложка, но и ПАВ.

Применение времяпролетного масс-спектрометра позволяет производить четкое разделение мелких кластеров по количеству атомов.

Интересной модификацией этого метода является испаре­ние парящей (левитирующей) капли. Капля расплавленного ме­талла, удерживаемая в подвешенном состоянии индукционным полем, обдувается инертным газом, в котором конденсируются высокоактивные наночастицы.

Достоинства. Самый простой и производительный способ получения нанокристаллических порошков, которые мало агло­мерируются и сохраняют низкую температуру спекания. Этот метод применяется для нанесения наноструктурных пленок раз­личного функционального назначения.

Недостатки, Широкое логарифмически-нормальное рас­пределение частиц по размерам.

Применение. Комбинация осаждения и химического взаи­модействия (CVD) с различными по составу газами, в том числе и парами элементорганических соединений, позволяет получать нанопорошки оксидов, нитридов, карбидов.