Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
реакционный газ. Образование разных по морфологии монокристал-
лических наночастиц соединения происходит в результате взаимодей-
ствия реакционного газа с тем или иным химическим элементом, при 
этом форму образующихся частиц можно регулировать с помощью из-
менения состава газовой фазы. Так изменение температуры газовой 
фазы и отклонение отношения Cd:S в газовой фазе от стехиометриче-
ского 1:1 в сторону увеличения содержания кадмия позволяет полу-
чать сульфид кадмия CdS в форме призматических пластин, лент, иго-
лок, усов, нитей, трубок. Структурной основой роста кристаллов разной 
формы являются промежуточные кластерные частицы [CdS]
n
, [Cd
2
S]
n
, 
[Cd
3
S]
n
. Таким образом, соотношение исходных компонентов газовой 
фазы и температура являются основными факторами, определяющи-
ми форму полученных малых частиц, тогда как размер частиц в боль-
шей мере зависит от давления инертного газа.
Газофазный синтез позволяет получать кластеры и наночастицы 
размером от 2 до нескольких сотен нанометров. Более мелкие части-
цы контролируемого размера получают с помощью разделения кла-
стеров по массе во времяпролетном масс-спектрометре. Например, 
пары́ металла пропускают через ячейку с гелием под давлением меж-
ду 1000 и 1500 Па, затем выводят в высоковакуумную камеру (при-
мерно 10
–5
Па), где масса кластера устанавливается по времени про-
лета определенного расстояния в масс-спектрометре. Таким способом 
получали кластеры Sb, Bi и Pb, содержащие 650, 270 и 400 атомов со-
ответственно; температура газообразного гелия в случае получения 
паров Sb и Bi составляла 80 K, a паров Pb — 280 K.
Нанокристаллические порошки оксидов Al
2
O
3
, ZrO
2
получали испа-
рением оксидных мишеней в атмосфере Не, магнетронным распыле-
нием Zr в смеси Ar и O, контролируемым окислением нанокристаллов 
Y. Для получения высокодисперсных порошков нитридов переходных 
металлов использовали электронно-лучевой нагрев мишеней из соот-
ветствующих металлов. Испарение проводили в атмосфере азота или 
аммиака при давлении 130 Па. Так, были получены наночастицы кар-
бидов, оксидов и нитридов с помощью импульсного лазерного нагрева 
металлов в разреженной атмосфере метана (в случае карбидов), кис-
лорода (в случае оксидов), азота или аммиака (в случае нитридов). 
Импульсное лазерное испарение металлов в атмосфере инертного 
газа (Не или Аr) и газа-реагента (O
2
, N
2
, NН
3
, СН
4
) позволяет получать 

---

13
1.1. Конденсация паров и газофазный синтез
смеси нанокристаллических оксидов различных металлов, окcидно-
нитридные или карбидно-нитридные смеси. Состав и размер наноча-
стиц можно контролировать изменением давления и состава атмос-
феры (инертный газ и газ-реагент), мощностью лазерного импульса, 
температурного градиента между испаряемой мишенью и поверхно-
стью, на которую происходит конденсация.
Наночастицы алмаза можно получать из газовой фазы, перенасы-
щенной по содержанию углерода (CO
2
, метан, ацетилен, пропан, дру-
гие углеводороды), но при давлении ниже атмосферного. Конденсации 
углерода из газовой фазы и образованию зародышей алмаза способ-
ствует избыточная поверхностная энергия на границе раздела твер-
дое–газ. Осаждение алмазных наночастиц нашло наибольшее приме-
нение для создания алмазных и алмазоподобных пленок и покрытий.
Наночастицы сплавов, богатых железом, Fe-Ni, Fe-Mn, Fe-Cr, Fe-Pt, 
Fe-Co получали в аргоне при давлении 400 Па. Осажденные части-
цы имеют сферическую форму, средний размер частиц составляет 
(25 
±
5) нм. Наночастицы являются двухфазными (ОЦК и ГЦК), что 
соответствует термодинамическому равновесию компонентов в этих 
сплавах.
Нанопорошки керамических материалов можно получать из ме-
таллоорганических прекурсоров. Прекурсор смешивают с несущим 
инертным газом в нагреваемом трубчатом реакторе, выполняющем 
роль испарителя, в результате термического разложения прекурсора 
возникает непрерывный поток кластеров или наночастиц, который 
попадает из реактора в рабочую камеру и конденсируется на холо-
дильнике, имеющем форму вращающегося цилиндра. Этим методом 
при использовании такого прекурсора, как гексаметилдилазан, уда-
лось получить нанокристаллические порошки SiC
x
N
y
. Введение в несу-
щий газ наряду с тем же прекурсором воды H
2
O, водорода H
2
или ам-
миака NH
3
позволило синтезировать нанопорошки SiO
2
, SiC и Si
3
N
4
. 
Успешное проведение процесса обеспечивается малой концентраци-
ей прекурсора в инертном газе, быстрым расширением и охлаждени-
ем газового потока при выходе из реактора в рабочую камеру, низким 
давлением в рабочей камере.
Пленка из оксида циркония ZrO
2
, легированного оксидом иттрия 
YO
2
, со средним размером кристаллитов от 10 до 30 нм была получена 
с помощью импульсного лазерного испарения металлов в пучке ионов 

---

14