стиц соединения происходит взаимодействие металла с реакци- онным газом. Для получения наночастиц заданного размера необ- ходимо подбирать конкретное давление инертного газа [2.1].
Изучение испарения металлов и оксидов металлов в вакууме и атмосферах различных газов показало, что размер получаемых частиц зависит от давления и атомной массы газа.
Метод испарения – конденсации позволяет получать частицы размером от 2 нм до нескольких сотен нм. Наночастицы размером в несколько нанометров могут иметь форму, близкую к шарообраз- ной, а у более крупных частиц может появляться огранка. Крупные наночастицы могут иметь высокое аспектное отношение.
Установки, использующие принцип испарения – конденсации, различаются способом ввода испаряемого материала, методом под- вода энергии для испарения, рабочей средой, организацией процес- са конденсации, системой сбора полученного порошка. Испарение металла может происходить из тигля, или металл может поступать в зону нагрева и испарения в виде проволоки, впрыскиваемого ме- таллического порошка или в струе жидкости. Подвод энергии мо- жет осуществляться с помощью непосредственного нагрева, про- пускания электрического тока через проволоку, электродугового разряда в плазме, индукционного нагрева токами высокой и сверх- высокой частоты, лазерного излучения, электронно-лучевого нагре- ва. Испарение и конденсация могут протекать в вакууме, в непод- вижном инертном газе, в потоке газа, в струе плазмы. В зависимо- сти от условий испарения металла (давление газа, расположение и температура подложки) его конденсация может происходить как в объеме, так и на поверхности реакционной камеры [2.1].
В методе газофазного синтеза наночастицы образуются в ре- зультате охлаждения парогазовой смеси, содержащей наряду с инертным газом один, два или более химических элементов. Ох- лаждение происходит в зоне конденсации, размер которой для данного реакционного сосуда можно регулировать, изменяя дав- ление инертного газа, так как уменьшение давления увеличивает зону конденсации, а рост давления ее уменьшает. С изменением давления инертного газа связан размер получаемых наночастиц.
Эта связь осуществляется как непосредственно, так и опосредо- ванно, через размер зоны конденсации.
Увеличение давления газа повышает его плотность и ско- рость теплоотвода, что снижает скорость образования центров кристаллизации в газовой фазе и увеличивает скорость роста кри- сталлов. В результате при прочих равных условиях повышение давления инертного газа или использование более плотного инертного газа сопровождается увеличением размера получаемых частиц. Поэтому для газофазного синтеза мелких наночастиц раз- мером до 10 нм давление инертного газа (Не, Ar, Xe) поддержива- ется на уровне не более 40 Па.
Для получения соединений наночастиц с помощью газофаз- ного синтеза помимо испарения металла в инертную газовую сре- ду вводят реакционный газ. Образование разных по морфологии монокристаллических наночастиц соединения происходит в ре- зультате взаимодействия реакционного газа с тем или иным хи- мическим элементом, при этом форму образующихся частиц можно регулировать с помощью изменения состава газовой фазы.
Для получения высокодисперсных порошков нитридов пе- реходных металлов использовали электронно-лучевой нагрев мишеней из соответствующих металлов. Испарение проводили в атмосфере азота или аммиака при давлении 130 Па. Так, были по- лучены наночастицы карбидов, оксидов и нитридов с помощью импульсного лазерного нагрева металлов в разреженной атмосфе- ре метана (в случае карбидов), кислорода (в случае оксидов), азо- та или аммиака (в случае нитридов). Импульсное лазерное испа- рение металлов в атмосфере инертного газа (Не или Аr) и газа- реагента (O2, N2, NН3, СН4) позволяет получать смеси нанокри- сталлических оксидов различных металлов, окcидно-нитридные или карбидно-нитридные смеси. Состав и размер наночастиц можно контролировать изменением давления и состава атмосфе- ры (инертный газ и газ-реагент), мощностью лазерного импульса, температурного градиента между испаряемой мишенью и по- верхностью, на которую происходит конденсация [2.1].
Наночастицы сплавов, богатых железом, Fe-Ni, Fe-Mn, Fe- Cr, Fe-Pt, Fe-Co, получали в аргоне при давлении 400 Па. Осаж-
денные частицы имеют сферическую форму, средний размер час- тиц составляет 25 ± 5 нм. Наночастицы являются двухфазными (ОЦК и ГЦК), что соответствует термодинамическому равнове- сию компонентов в этих сплавах.
Основные закономерности образования наночастиц методом испарения и конденсации следующие:
– образование наночастиц происходит при охлаждении пара в зоне конденсации, и размер их тем больше, чем меньше давле- ние газа;
– в процессе конденсации существенную роль играют кон- вективные потоки газа;
– при увеличении давления газа до нескольких сотен паска- лей средний размер частиц сначала быстро увеличивается, а затем медленно приближается к предельному значению в области дав- лений более 2,5 кПа;
– при одинаковом давлении газа переход от гелия к ксенону, то есть от менее плотного инертного газа к более плотному, со- провождается ростом размера частиц в несколько раз;
– при одинаковых условиях испарения и конденсации ме- таллы с более высокой температурой плавления образуют части- цы меньшего размера. Регулируя состав газовой фазы, содержа- щей помимо инертного газа два элемента и более, можно выра- щивать разные по форме малые частицы соединений различной степени кристалличности. Конденсация парогазовой смеси при температуре до 500–1000 K может происходить при ее поступле- нии в камеру с большим сечением и объемом, заполненную хо- лодным инертным газом; в этом случае охлаждение происходит за счет расширения газовой смеси и контакта с холодной инерт- ной атмосферой. Существуют установки, в которых в камеру кон- денсации коаксиально поступают две струи: парогазовая смесь подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая струя холодного инертного газа. В результате турбулентного смешения температура паров металла понижается, увеличивается пересы- щение, и происходит быстрая конденсация [2.1].
Самостоятельной задачей является сбор получаемого кон- денсацией нанопорошка, так как его частицы настолько малы, что
находятся в постоянном броуновском движении и остаются взве- шенными в движущемся газе, не осаждаясь под действием силы тяжести. Для сбора получаемых порошков используют специаль- ные фильтры и центробежное осаждение.
На рисунке 2.3 показана схема установки для получения кластеров металлических атомов. Лазерный луч высокой интен- сивности падает на вращающийся диск из металла, вызывая испа- рение атомов с поверхности металла, которые затем уносятся по- током гелия через сопло. Расширение этого потока в вакууме приводит к его охлаждению и образованию кластеров атомов ме- талла. Эти кластеры ионизируются ультрафиолетовым (УФ) из- лучением и попадают в масс-спектрометр. Для изучения химиче- ского взаимодействия наночастиц с газами возможно введение различных газов, например кислорода.
Рис. 2.3. Установка для получения кластеров атомов металла методом испарения – конденсации
Методом испарения – конденсации получены наночастицы Ag, Bi, Cu, Te и др. Показано, что для всех исследованных систем, варьируя давление и состав несущего газа, можно получать час- тицы размером от 1 до 10 нм. Размер частиц при этом является линейной функцией давления. Методом испарения – конденсации
спектрометр
были получены частицы сплавов AgM (M = Co, Fe, Ni) [2.3]. Ме- тод испарения – конденсации позволяет получать чистые метал- лические частицы. Варианты метода испарения – конденсации и материалы, полученные с его помощью, представлены в табли- це 2.2 [2.4].
Таблица 2.2 Варианты метода испарения – конденсации и материалы,
полученные с его помощью
Метод Вариант метода Материалы
Физические методы Испарение
и конденсация
В вакууме или в инертном газе
Zn, Cu, Со, Al, Be, Sn, Pb, Mg, Ag, Cr, MgO, Al2O3, Y2O3, ZrO2, SiC
Аргон 400 Па FeNi, FeMn, FeOr, FePt, FeCo
В реакционном газе TiN, AlN, ZrN, NbN, ZrO2, Al2O3, TiO2
Нанопорошки керамических материалов можно получать из металлоорганических и элементоорганических соединений.
Например, путем смешения исходного вещества с несущим инертным газом в нагреваемом трубчатом реакторе, выполняю- щем роль испарителя. В результате термического разложения прекурсора возникает непрерывный поток кластеров или нано- частиц, который попадает из реактора в рабочую камеру и кон- денсируется на холодильнике, выполненном в форме вращаю- щегося цилиндра.
Метод испарения – конденсации реализован в установке Глейтера (см. рис. 2.4), в которой получение ультрадисперсного порошка испаряемого материала в атмосфере разреженного инертного газа совмещается с вакуумным прессованием. Кон- денсируемые на поверхности охлаждаемого вращающегося ци- линдра частицы испаряемого материала снимаются специаль- ным скребком и собираются в пресс-форме 2 предварительного прессования (давление до 1 ГПа), а затем в специальной пресс- форме проводится компактирование при более высоких (до 3–
5 ГПа) давлениях [2.4].
Рис. 2.4. Схема установки Глейтера:
1 – узел компактирования при высоком давлении;
2 – узел предварительного прессования; 3 – испаритель;
4 – вращающийся коллектор, охлаждаемый жидким азотом; 5 – скребок
Производительность установки Глейтера лимитируется пре- имущественно невысокими скоростями испарения. На рисунке 2.4 показана схема установки для получения ультрадисперсных порош- ков оксидов и других соединений (нитридов, карбидов и т. д.) мето- дом конденсации с использованием в качестве прекурсоров (исход- ных веществ) металлоорганических соединений. Малопроизводи- тельное испарение твердых объектов заменяется в данном случае разложением термически малопрочных металлорганических соеди- нений типа тетраизопропилтитана или тетра-трет-бутилциркония.
На рисунке 2.5 в качестве испарителя используется обогре- ваемый трубчатый реактор, в который подается газовая смесь прекурсора и нейтрального газа (носителя) и в котором происхо- дит гетерогенное образование наночастиц. Эта смесь из испари-
теля выносится в рабочую камеру и конденсируется на вращаю- щемся охлаждаемом цилиндре, откуда счищается скребком в спе- циальный коллектор. Установки такого типа используются для получения ультрадисперсных порошков оксидов: Al2O3, Fe2O3, TiO2, CeO2, Cr2O3, ZnO, In2O3, Y2O3 и ZrO2 – с производительно- стью примерно до 20 г/ч.
Рис. 2.5. Схема установки
для получения ультрадисперсных порошков оксидов:
1 – подвод газа-носителя; 2 – источник прекурсора; 3 – регулирующие клапаны;
4 – рабочая камера (давление газа 1–50 Па); 5 – нагреваемый трубчатый реактор;
6 – охлаждаемый вращающийся цилиндр; 7 – коллектор; 8 – скребок
Разложение металлоорганических соединений обеспечивает изготовление ультрадисперсных порошков с размером частиц до нескольких нанометров, но длительность процесса получения та- ких объектов (и соответственно стоимость) довольно велика.
На поверхность наночастиц можно нанести тонкие оксидные пленки, предотвращающие агломерацию и окисление на воздухе, пропусканием через рабочую камеру инертного газа, обогащенно- го кислородом.
Метод испарения – конденсации является высокопроизводи- тельным одностадийным процессом, дающим возможность дис- пергировать разнообразные исходные материалы и контролиро-
вать размеры наночастиц в интервале 3–100 нм, меняя скорость испарения, давление газа и его природу, температуру подложки.
Метод позволяет получать чистые частицы металлов и сплавов и используется в большей степени для получения композиционных материалов, чем для получения наночастиц, что связано с широ- ким распределением получаемых наночастиц по размерам и труд- ностью управления этими размерами [2.3].