Обычно выделяют два типа наночастиц: частицы с упорядоченной структурой размером 1–5 нм, содержащие до 10 000 атомов и называемые кластерами или нанокристаллами, и сами наночастицы диаметром 5–100 нм, существующие от 103–100 нм. 108 атомов. Наночастица – это изолированный твердофазный объект, имеющий четко выраженную границу с окружающей средой, размеры которого во всех трех измерениях варьируются от 1 до 100 нм и который состоит из 103–108 атомов.
Классификация наноструктур
Lc >> La ≈ Lb: размер в одном из направлений существенно (более чем на порядок) больше размера в двух других, и частицу условно можно считать цилиндрической с высотой, существенно превышающей диаметр. Lc > La ≈ Lb: длина наночастицы превышает диаметр до одного порядка; частицы напоминают цилиндры, слегка вытянутые вдоль оси.
Классификация методов получения наночастиц и наноматериалов и наноматериалов
Магнитные свойства наночастиц переходных металлов и их сплавов переходных металлов и их сплавов
Это многослойные пленки из чередующихся слоев ферромагнитных и немагнитных металлов; например, в наноструктуре Co-Ni-Cu/Cu чередуются ферромагнитный слой Co-Ni-Cu и немагнитный слой Cu. В наноструктуре Co-Ni-Cu/Cu наибольшее значение гигантского магнитосопротивления получено для очень тонких слоев Cu - около 0,7 нм.
Применение наноматериалов
Дополнительное введение ниобия в систему Ti-AI приводит к увеличению адсорбции водорода за счет образования наноразмерных фаз типа Ti2AINb с ромбической сеткой, что приводит к пятикратному увеличению поглощения водорода.
Термическое вакуумное испарение
Типовая установка для нанесения тонких пленок в вакууме (рис. 2.1) имеет раму 11, на которой расположены вакуумная рабочая камера 5 с источником 1 наносимого материала, контейнер-подложка 4 с подложками 3 и вакуумный насос. Система 10. Уже при давлении р = 10-2 Па длина свободного пробега молекул составляет λ 50 см, что превышает фактическое расстояние от испарителя до подложки (обычно не более 30 см).
Испарение – конденсация
Поэтому для газофазного синтеза малых наночастиц размером до 10 нм давление инертного газа (He, Ar, Xe) поддерживают на уровне не более 40 Па.
Лазерная абляция
Во многих случаях применяется непрерывное излучение СО2-лазеров с плотностью энергии 105...107 Вт/см2 со скоростями сканирования луча, обеспечивающими время взаимодействия материала с излучением 10-3...10-8 с. Высокая плотность нейтральных частиц (~1022 см-3) и высокая интенсивность излучения (108 Вт/см2) обеспечивают высокую степень ионизации за время τi ~ 10-9. Приблизительная оценка, сделанная в предположении, что при нагревании объем нагретого вещества существенно не увеличивается, дает давление около 105 атм при температуре ~ 105 К.
Пленка оксида циркония, легированного оксидом иттрия, со средним размером кристаллитов 10–30 нм была получена с помощью импульсного лазерного испарения металлов в пучке ионов кислорода и последующего осаждения оксидов на подложку при температуре 350–700 К. Полученный порошок был аморфным, зерна имели сферическую форму и средний размер 17 ± 4 нм, а распределение зерен по размерам было уже, чем у порошка Si (для Si3N4 диапазон размеров зерен составлял от 10 до 25 нм). .
Молекулярно-лучевая эпитаксия
В полупроводниковых гетероструктурах используются элементы II–VI групп (Zn, Cd, Hg, Al, Ga, In, Si, Ge, P, As, Sb, S, Se, Te), соединения III–V и их твердые растворы, а в качестве Соединения AIIBVI. Другой природной подложкой является InP, который используется в сочетании с твердыми растворами GaAs-InAs, AlAs-AlSb и др. Например, в трехслойной системе Fe/Nb/Fe при увеличении толщины слоя железа dFe от 0,1 до 0,8 нм температура Tsc сначала снижается с 7 до 4,5 К, а затем с увеличением dFe до 1,2 нм.
Толщина слоя ферромагнитного полупроводника (EuO, EuS) в этих гетероструктурах составляет от 10 до 50 нм, а толщина сверхпроводящих слоев составляет более 200 нм. Например, при нанесении слоя InAs на поверхность GaAs мы наблюдаем образование упорядоченных пирамид InAs, что соответствует минимуму свободной энергии системы.
Диодные и триодные системы распыления
В рабочей камере с электродами создается вакуум 10-3-10-4 Па, после чего она заполняется инертным газом под давлением 1,3-13 Па. Магнетронное травление характеризуется интенсивным распылением мишени и позволяет снизить температуру подложки на 100-200 К, что расширяет возможности получения аморфных и нанокристаллических пленок. На рис. 2.13 показаны действительная (μ`) и мнимая (μ``) части магнитной проницаемости в зависимости от частоты (характеристика μ-f) для осажденных и отожженных пленок (Fe0,65Co0,35)99O1.
Фактическая магнитная проницаемость µ` отожженного образца примерно равна 600 и демонстрирует плоскую зависимость от f до 100 МГц без разброса значений. Ионно-плазменное распыление происходит при давлении 10-1-10-2 Па, что обеспечивает более чистые условия для нанесения пленок по сравнению с диодной системой (рабочее давление 1 Па).
Плазмохимический синтез
Средний диаметр dXRD наночастиц FeCo и FeNi на углеродных сферах составляет 6,4 ± 1 и 5,3 ± 1 нм соответственно. содержащие наночастицы FeCo; б – ПЭМ-изображения сфер FeCo@C. в – Изображения HRTEM с большим увеличением. показывает морфологию сферы FeCo@C соответственно). Кривые MZFC(T) показывают широкий максимум для нанокомпозита FeCo@C (рис. 2.21a), что позволяет предположить, что существует распределение температур блокировки, а не четко определенное значение Tw. Тв = Кэфф
Используя экспериментальные значения Tv и dTEM, оценены значения констант магнитной анизотропии для образцов FeCo@C и FeNi@C, равные 3,8 × 105 и 2,5 × 105 Дж м-3 соответственно. Существование дипольных взаимодействий в нанокомпозитах было подтверждено и оказалось, что они выше для нанокомпозита FeCo@C из-за прямых контактов между несколькими соседними наночастицами FeCo.
Механосинтез
Свойства получаемых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза и типа плазмотрона; частицы представляют собой монокристаллы и имеют размеры 10-100 нм и более [2.12]. Наибольшее значение MS (200 А м2/кг), полученное после 10 часов шлифования, быстро снижается при более длительном шлифовании, хотя ранее в литературе сообщалось, что для случая механосплавления аргоном незначительные различия в величине г-жи Установлено, что образцы были приготовлены с разным временем помола. Данные рентгенофазового анализа образцов FeCo (рис. 2.26) показывают наличие второй фазы у сплавов, измельченных на воздухе.
На рисунке 2.29 показаны изменения Ms и Hc для порошков, измельченных в мельнице в течение 10 часов (S1), а затем отожженных при разных температурах (S2, S3 и S4). Даже при измельчении хрупких материалов конечный размер частиц обычно не менее 100 нм; Частицы состоят из кристаллитов размером не менее 10–20 нм.
Электродуговой метод
Между электродами (исходным металлом или сплавом, из которого необходимо получить наночастицы, и углеродом) при приложении разности потенциалов (U = 50–100 В, I = 100 А) образуется дуга, вызывающая испарение металла и углерода. На рисунке 2.31 представлена частотная зависимость поглощения электромагнитного излучения пятислойным радиопоглощающим покрытием на основе напыленных углеродных пленок с ферромагнитными наночастицами Ni [Г2.5]. В сплаве Fe-Co претерпеваются упорядочивающе-разрушающие превращения при максимальной температуре 725 °С при соотношении Fe : Co = 1 : 1 (Fe50Co50) с изменением структуры от неупорядоченной α-ОЦК(А1) к упорядоченной α'- CsC1(B2) – типичная структура (рис. 2.32).
Полые графитовые стержни набивались смесью порошков Fe и Co и помещались в индукционную печь для нагрева. Рентгенограмма наночастиц композита Fe0,5Co0,5/C На рисунке 2.34 показаны петли магнитного гистерезиса нанокомпозита FeCo/CM(H) при 500 °C при нагреве и охлаждении от 850 °C.
Пиролиз
Путем термического разложения карбонильных паров двух металлов Fe(CO)5 и Co2(CO)8 синтезированы биметаллические нанокластеры FexCo100s в широком диапазоне значений x, изучены их структурные и магнитные свойства в зависимости от состава. из сплава FeCo. Для создания биметаллических нанокластеров FexCo100-x мы использовали термическое разложение карбонильных паров двух металлов Fe(CO)5 и Co2(CO)8 с помощью резистивного нагревателя. На рисунке 2.40 показано, что структура сплава FeCo меняется от объемноцентрированной кубической структуры Fe к гранецентрированной кубической структуре и гексагональной плотноупакованной решетке Co.
Для объемных сплавов структура меняется от объемноцентрированной структуры Fe к гексагональной плотноупакованной структуре Co при 200 ° C. Из зависимости коэрцитивной силы от молярного содержания Fe можно определить два минимальных значения Hc. различают (рис. 2.42в): в первом случае при х = 5–15, во втором случае при х = 50–75.
Интенсивная пластическая деформация
Например, для субмикрокристаллической меди со средним размером зерен около 200 нм избыточная энергия границ зерен достигает 0,5 Дж м-2. Замечена разница в микроструктурах Ni и Cu, полученных одинаковой интенсивной пластической деформацией: у субмикрокристаллического никеля размер большинства зерен составлял около 100 нм, тогда как у субмикрокристаллической меди размер зерен составлял от 5 до 100 нм, а зерна меди содержало несколько дефектов (дислокации, двойники), чем зерна субмикрокристаллического никеля. Образцы, полученные кручением под квазигидростатическим давлением, имеют форму дисков размером 10-20 мм и толщиной 0,2-0,5 мм.
Исходными заготовками в технике ЭКА-прессования являются образцы круглого или квадратного сечения, диаметр или диагональ которых составляет 20-150 мм, а длина заготовки - до 200 мм. Для достижения необходимого уровня деформации образец многократно прессуют в специальном оборудовании через два канала одинакового сечения, пересекающихся под углом 90 градусов и более (рис. 2.44).
Кристаллизация аморфных сплавов
Магнитомягкими материалами являются стали, содержащие Si, поэтому первые попытки улучшения магнитомягких свойств за счет кристаллизации аморфных сплавов проводились на сплавах системы Fe-Si-B с добавками меди, однако получить сплавы с нанокристаллическая структура в этой системе. Частичная замена Fe на Co приводит к заметному улучшению способности к образованию стеклообразной фазы и магнитомягких свойств, таких как низкая коэрцитивная сила и низкая магнитострикция, что приводит к успешному синтезу аморфных Co-Fe-Si-B и Fe-Co-Nb- Нанокристаллический сплав B, который поступает в продажу. Проведены обширные исследования по синтезу новых магнитомягких стеклообразных сплавов на основе FeCo, таких как Fe-Co-(Si, B)-Nb и Fe-Co-(P-C-B-Si)-(Mo) и др.
Для аморфных сплавов Fe-Co-B-Si-P исследована морфология осаждения наноразмерной фазы ОЦК-Fe(Co)+борид. Изучено формирование, микроструктура, термическая стабильность, механические и магнитные свойства пластичного нанокристаллического сплава на основе железа, содержащего наноразмерную фазу ОЦК-Fe(Co), внедренную в аморфную матрицу, а также причины хорошей пластичности при изгибе. и размягчение нанокристаллического магнитного сплава Fe-Co-B с высокой намагниченностью насыщения.
Электропрядение
Наночастицы FeCo образца S3 растут с высокой скоростью, перекрываются и растворяются друг в друге, образуя жесткие и гибкие нановолокна. Установлено, что с повышением температуры нановолокна FeCo более компактно агрегируются в наноленту, и нанолента становится целой (неповрежденной), как и образец S2. Если сравнить со значением Ms для объемного материала Fe7Co3 (232 А м2/кг), то можно утверждать, что Ms этих нановолокон из сплава FeCo ниже, что связано с наличием на их поверхности тонких оксидных оболочек, в магнитные спины которых разориентированы, наличие Lt.
Эквиатомный сплав FeCo (Fe:Co = 1:1) имеет ОЦК кристаллическую структуру до температуры 983°С и гранецентрированную кубическую структуру при более высоких температурах. Магнитные параметры синтезированных нановолокон FeCo, капсулированных в графитовую оболочку, в сравнении с нановолокнами из кобальта, чистого кобальта, чистого железа и объемными материалами Fe и Co, капсулированными в графитовую оболочку, при 5 и 300 К приведены в таблице 2.6.
Детонационный синтез
Намагниченность насыщения Ms инкапсулированных нановолокон FeCo и FeCo2.7 при комнатной температуре составила 107,4 и 70,14 А м2/кг, что выше соответствующих значений для нановолокон Co и Fe без оболочки, но ниже соответствующих значений объемные металлы (162,55 и 221,7 А м2/кг Co и Fe соответственно). При использовании углеродистой атмосферы CO2 можно синтезировать нанотрубки и сферические углеродные частицы, а также усы MgO.
Электрический взрыв проводников (ЭВП)
Методом электровзрыва проводника получают нанопорошки алюминия, титана, циркония, магния и других металлов с размером частиц 40-100 нм и удельной поверхностью 10-.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез высокотемпературный синтез
Синтезированный карбид титана имел кубическую структуру В1 с периодом 433 нм, порошок состоял из частиц неправильной формы размером от 20 до 300 нм, средний размер частиц составлял около 100 нм.
Электроэрозия
Сравните магнитные параметры нановолокон FeCo, синтезированных в графитовой оболочке, с нановолокнами из чистых Co и Fe, а также с объемными Fe и Co. Структурные и магнитные свойства механически легированных наночастиц Fe50Co50 / До Кхань Тунг, До Хунг Мань, П. Получение и свойства наночастиц Fe, Co и Ni с ферромагнитным углеродным покрытием / Цзяо Дж., Сепархин С., Ван К.
Synthesis, microstructure and magnetic performance of FeCo alloy nanoribbons / Panpan Jing, Jinlu Du, Jianbo Wang, Zentai Zhu, Hongmei Feng, Zhenlin Liu, Qingfang Liu // Material Letters. Synthesis and film formation of iron-cobalt nanofibers encapsulated in graphite shell: investigation of magnetic, electrical and optical properties / A.
Методика синтеза нанокомпозитов FeCo/С
Прекурсоры нанокомпозитов готовили растворением ПАН и соединений металлов: Коак, Feac.ac или Fef в ДМФ. Выбор этих соотношений определяется наличием на диаграмме состояния стабильного сплава FeCo и метастабильных фаз FeCo3, Fe3Co. Приготовленные растворы Feac.ac-Coac/ПАН/ДМФ или Fef-Coac/ПАН/ДМФ сушили для удаления растворителя (диметилформамида).
Твердый остаток (прекурсор) Feac.ac-Coac/PAN или Feph-Coac/PAN после сушки также использовали для изучения кинетики гетерогенных химических реакций, протекающих в прекурсорах под воздействием ИК-нагрева и приводящих к образованию металлоуглеродные нанокомпозиты FeCo/C методами термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии, а также УФ-спектроскопии. Для синтеза нанокомпозитов FeCo/C использовали ИК-нагрев прекурсоров Feac.ac.-Coac/PAN или Fef-Coac/PAN.
Термические превращения полиакрилонитрила
