Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 1
.
Методы синтеза
наночастиц и нанопорошков
1.1. Конденсация паров и газофазный синтез
О
дин из самых простых способов получения наночастиц за-
ключается в конденсации пара вещества в разреженной 
инертной атмосфере. Этим методом можно получить как 
наночастицы простого вещества, так и сплава. Если необходимо син-
тезировать наночастицы соединения металла, например оксида, ни-
трида, карбида, то в атмосферу необходимо добавить соответствую-
щий реакционный газ — кислород, азот, углекислый газ, метан и др. 
Для создания пара вещества проще всего использовать процесс испа-
рения. Атомы вещества, перешедшие в пар, быстро теряют свою ки-
нетическую энергию из-за столкновений с атомами инертного газа 
и образуют наночастицы. При синтезе наночастиц соединения про-
исходит еще и взаимодействие металла с реакционным газом. Для по-
лучения наночастиц заданного размера необходимо подбирать кон-
кретное давление инертного газа.
В газовой фазе наиболее часто проводят следующие процессы: ис-
парение — конденсация (испарение в электрической дуге и в плазме); 
осаждение; топохимические реакции (восстановление, окисление, раз-
ложение частиц твердой фазы). В процессе «испарение — конденса-
ция» жидкие или твердые вещества испаряются при контролируемой 
температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последу-
ющей конденсацией пара в охлаждающей среде или на охлажденных 
поверхностях специальных устройств. Этот способ позволяет получать 

---

9
1.1. Конденсация паров и газофазный синтез
частицы размером от 2 нм до нескольких сотен. Наночастицы разме-
ром несколько нанометров могут иметь форму, близкую к шарообраз-
ной, а у более крупных частиц может появляться огранка. Крупные на-
ночастицы могут иметь высокое аспектное отношение.
Если проводить испарение вещества в режиме, когда нет столкно-
вения между молекулами (в частных случаях атомами, ионами, кла-
стерами) в пространстве диафрагмы, то длина свободного пробега 
молекул 
λ
м
> 
d
д
(
d
д
— диаметр диафрагмы). Истечение пучка молекул 
из нагревательной камеры будет эффузионным; интенсивность пуч-
ка 
J 
на расстоянии 
r
от источника пропорционально
 J 
~ 
λ
м
d
д
2
P
cos
θ
/
 
4 
r
2
√(
MT
),
где 
P
— давление в камере; 
θ
— угол между направлением пучка и нор-
малью к плоскости отверстия; 
М
— молекулярная масса; 
Т
— темпе-
ратура источника тепла.
Как видно из выражения, интенсивность пучка 
J 
~ 1/
r
2
, т. е. рас-
пределение распыляемых молекул в пространстве приблизительно та-
кое же, как и для источника. Другими словами, испускаемые молеку-
лы распространяются в вакууме по законам геометрической оптики.
Молекулярные пучки, получаемые при эффузионном истечении ис-
паряющихся частиц, обладают малой интенсивностью порядка от 10
12
до 10
14
молекул/(см
2
·с). Температуру источника выбирают в зависи-
мости от требуемой интенсивности молекулярного пучка и равновес-
ного давления над испаряемым веществом. Она может быть выше или 
ниже температуры плавления вещества.
Необходимо отметить, что некоторые вещества (например, Sn 
и Ge) испаряются как в виде отдельных атомов, так и в виде малых 
кластеров. В молекулярных пучках малой интенсивности, получаемых 
при эффузионном истечении через отверстие в нагревательной каме-
ре, наблюдается равномерное распределение кластеров малых разме-
ров. Основным достоинством метода молекулярных пучков является 
возможность достаточно точно регулировать интенсивность пучка 
и управлять скоростью подачи частиц в зону конденсации.
Систематическое исследование образования наночастиц этим ме-
тодом было выполнено на металлах Zn, Cd, Se, As и Au. Были получены 

---

10