Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
Для нагрева исходного материала в плазмохимических методах ис-
пользуются как дуговые (электродные), так и безэлектродные плазмо-
троны, каждый из которых обладает своими достоинствами и недо-
статками, определяющими области их применения. К достоинствам 
электродуговых нагревателей плазмы относится простота конструк-
ции плазмотрона и источника питания, высокий КПД устройства 
(до 80 %), большая достигнутая мощность (мегаватты). Основным 
недостатком мощных дуговых плазмотронов является слишком ма-
лый срок службы электродов (около 100 ч), загрязнение синтезиру-
емых материалов продуктами эрозии электродов, а также очень бы-
строе разрушение электродов в агрессивных средах. Малый ресурс 
работы электродов существенно ограничивает области применения 
дуговых плазмотронов в промышленности, поскольку непрерывность 
технологического процесса является одним из важнейших требова-
ний промышленного производства.
Безэлектродные плазмотроны, такие как высокочастотные индук-
ционные (ВЧИ), высокочастотные емкостные (ВЧЕ) и сверхвысокоча-
стотные (СВЧ), полностью лишены вышеперечисленных недостатков, 
поскольку позволяют получать чистую плазму практически любого 
химического состава, имеют ресурс работы порядка тысячи часов. 
Однако высокая частота генерации разрядов (порядка 10 МГц для 
ВЧИ- и ВЧЕ-разрядов, 1 ГГц для СВЧ) затрудняет создание источни-
ков питания большой мощности (как правило, мощность ВЧИ-, ВЧЕ- 
и СВЧ-плазмотронов ограничивается десятками киловатт). Поэтому 
особый интерес представляют индукционные разряды трансформа-
торного типа, эффективная генерация которых возможна в диапазо-
не частот тока от 10 до 100 кГц. Снижение частоты генерации безэ-
лектродного разряда более чем на два порядка дает ряд существенных 
преимуществ: упрощается конструкция источника питания, умень-
шается мощность излучаемых радиопомех. В отличие от широко при-
меняемых на практике ВЧИ-разрядов, для индукционных разрядов 
трансформаторного типа коэффициент связи между нагрузкой (га-
зовый разряд) и индуктором (первичная обмотка трансформатора) 
близок к единице.
К настоящему времени плазмохимическим методом получены вы-
сокодисперсные порошки нитридов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, B, Al и Si, кар-
бидов Ti, Nb, Ta, W, B и Si, оксидов Mg, Y и Al. Наиболее широко плаз-

---

21
1.2. Плазмохимический синтез
мохимический метод применяется для синтеза нитридов переходных 
металлов IV и V групп со средним размером частиц менее 50 нм.
Поскольку наночастицы, получаемые плазмохимическим синтезом, 
имеют большую избыточную энергию, то их химический и фазовый 
состав может не соответствовать равновесной фазовой диаграмме. 
Получить наночастицы требуемой стехиометрии помогает кратко-
временный дополнительный отжиг в контролируемой атмосфере. На-
пример, плазмохимический синтез порошка WC проводился из окси-
да вольфрама WO
3
и метана CH
4
в потоке низкотемпературной (между 
4000 и 5000 K) водородной плазмы. В результате синтеза удалось по-
лучить нанокристаллический порошок со средним размером частиц 
между 20 и 40 нм. Рентгенофазовый анализ показал, что полученный 
порошок содержит две карбидные фазы: W
2
C (более 75 вес. %) и WC 
(около 5 вес. %), — а также вольфрам W (около 18 вес. %). По данным 
химического анализа в порошке также присутствует свободный угле-
род. Для достижения однофазного состояния синтезированный поро-
шок был дополнительно отожжен в атмосфере аргона при температуре 
между 800 и 1000 K. Отожженный порошок содержал только гекса-
гональный (пространственная группа пр. гр. 
P
6
m
2) карбид вольфра-
ма. Размер областей когерентного рассеяния в отожженном порошке 
по сравнению с исходным практически не увеличился, но размер ча-
стиц, наблюдаемый с помощью электронной сканирующей микроско-
пии, вырос с 60 до 120 нм. Это свидетельствует об агломерации нано-
частиц в отожженном порошке WC. Сохранение размера наночастиц 
в порошке карбида вольфрама после отжига при температуре между 
800 и 1000 K связано, как показали измерения магнитной восприим-
чивости, с высокой температурной стабильностью этого соединения.
Модификации плазмохимического получения наночастиц
К плазмохимическому синтезу близко примыкает газофазный син-
тез с использованием лазерного нагрева реагирующей газовой сме-
си. Надежность и экономичность синтеза нанопорошков в стимули-
рованных лазером газофазных реакциях делают этот метод вполне 
конкурентоспособным по сравнению с другими методами. Лазер-
ный нагрев обеспечивает контролируемое гомогенное зародышео-

---

22