|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
кислорода и последующего осаждения оксидов на подложку со значе-
нием температуры от 350 до 700 K.
Основные закономерности образования наночастиц методом ис-
парения и конденсации следующие:
— образование наночастиц происходит при охлаждении пара
в зоне конденсации, которая тем больше, чем меньше давление газа.
Внутренняя граница зоны конденсации находится вблизи испарите-
ля, а ее внешняя граница по мере уменьшения давления газа может
выйти за пределы реакционного сосуда. В процессе конденсации су-
щественную роль играют конвективные потоки газа;
— при увеличении давления газа до нескольких сотен паскалей
средний размер частиц сначала быстро увеличивается, а затем мед-
ленно приближается к предельному значению в области давлений бо-
лее 2.5 кПа;
— при одинаковом давлении газа переход от гелия к ксенону, т. е.
от менее плотного инертного газа к более плотному, сопровождается
ростом размера частиц в несколько раз;
— при одинаковых условиях испарения и конденсации металлы
с более высокой температурой плавления образуют частицы мень-
шего размера. Регулируя состав газовой фазы, содержащей, поми-
мо инертного газа, два элемента и более, можно выращивать разные
по форме малые частицы соединений различной степени кристал-
личности.
Конденсация парогазовой смеси температурой до 500–1000 K мо-
жет происходить при ее поступлении в камеру с большим сечением
и объемом, заполненную холодным инертным газом; в этом случае
охлаждение происходит за счет расширения газовой смеси и контакта
с холодной инертной атмосферой. Существуют установки, в которых
в камеру конденсации коаксиально поступают две струи: парогазо-
вая смесь подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая
струя холодного инертного газа. В результате турбулентного смеше-
ния температура паров металла понижается, увеличивается пересы-
щение, и происходит быстрая конденсация.
Самостоятельной задачей является сбор получаемого конденса-
цией нанопорошка, т. к. его частицы настолько малы, что находятся
в постоянном броуновском движении и остаются взвешенными в дви-
жущемся газе, не осаждаясь под действием силы тяжести. Для сбора
15
1.1. Конденсация паров и газофазный синтез
получаемых порошков используют специальные фильтры и центро-
бежное осаждение; в некоторых случаях применяется улавливание
жидкой пленкой.
Модификации газофазного получения наночастиц
Модификации газофазного метода включают химическое осажде-
ние из газовой фазы, метод распылительной сушки, аэрозольный ме-
тод, парофазное разложение и т. д. В основе всех этих методов лежит
обеспечение перевода прекурсора осаждаемого вещества в газовую
фазу. Например, метод парофазного разложения используется для по-
лучения наночастиц железа (пирофорное железо) испарением пента-
карбонила железа Fe(CO)
5
в токе CO с последующим разложением при
температуре от 200 до 600 °C. Размер и фазовый состав формируемых
наночастиц определяется как температурой синтеза, так и скоростью
подачи прекурсора и расхода газа-носителя.
Метод конденсации паров в инертном газе наиболее часто исполь-
зуется в научных целях — для получения небольшого количества на-
нопорошков. Синтезированные этим методом порошки мало агломе-
рируются и спекаются при сравнительно низкой температуре.
Модифицированный метод конденсации используют с целью полу-
чить керамические нанопорошки из металлоорганических прекурсо-
ров. Схема конструкции аппарата для газофазного синтеза (рис. 1.1)
включает рабочую камеру, охлаждаемый цилиндр, скребок, воронку,
коллектор — приемную емкость для порошка, нагреваемый трубча-
тый реактор, устройство для регулируемой подачи испаряемого ма-
териала и несущего газа. В трубчатом реакторе испаряемый матери-
ал смешивают с несущим инертным газом и переводят в газофазное
состояние.
Полученный непрерывный поток кластеров или наночастиц по-
ступает из реактора в рабочую камеру аппарата, в которой создает-
ся давление порядка 50 Па. Конденсация наночастиц и осаждение их
в виде порошка происходит на поверхности охлаждаемого вращаю-
щегося барабана, с помощью скребка порошок удаляют с поверхно-
сти барабана; затем он через воронку поступает в приемную емкость
и направляется на дальнейшую переработку.
16
Do'stlaringiz bilan baham: |
