Диссертация (1105361), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В разделе 1.2приведены основные аналитические и численные методы, позволяющие вычислять плотностьобразующихся островков и распределение их размеров. В разделе 1.3 описываются понятия,относящиеся к численному решению стохастических дифференциальных уравнений, с помощью которых в данной работе определяются статистические характеристики кластеров иформирующихся из них островков.111.1Экспериментальное исследование роста островков изкластеров1.1.1Формирование кластеровКластеры представляют собой систему связанных атомов, насчитывающую от десятков до тысяч атомов [14, 15].
Кластеры могут быть металлическими или неметаллическими,гомогенными или гетерогенными, нейтральными или заряженными [8]. Кластеры занимаютпромежуточное положение между отдельными молекулами и конденсированным состояниемвещества, поэтому их исследование представляет особый интерес.Получить кластеры, которые в дальнейшем будут сформированы в кластерный пучок,можно несколькими различными способами. Для этого необходимо либо разрушать большие скопления атомов, либо соединять малые объекты (атомы, молекулы, кластеры) [8, 16].Можно выделить несколько наиболее известных методов производства наночастиц:1.
Газофазный синтез. Один из наиболее простых способов получения наночастиц заключается в конденсации пара вещества в разреженной инертной атмосфере. Этим методомможно получать наночастицы как простых, так и сложных веществ. Если необходимынаночастицы соединений металлов, например оксидов, нитридов, карбидов и т.д., тов атмосферу необходимо добавить соответствующий реакционный газ. Для полученияпара вещества проще всего использовать процесс испарения. Атомы вещества, перешедшие в пар, из-за столкновений с атомами инертного газа быстро теряют кинетическуюэнергию и образуют наночастицы.
В случае соединений металла происходит также взаимодействие металла с реакционным газом. Чтобы сформировались частицы нужногоразмера, необходимо подбирать давление инертного газа [13]. Метод охлаждения в буферном газе можно применить практически к любым атомам [17], молекулам и ихкластерам независимо от состава или совмещать со сверхзвуковым расширением, получая высокоэффективное охлаждение [18–20]. При этом охлаждаемые частицы будутиспытывать множественные столкновения с низкоэнергетическими атомами буферногогаза. Возможности этого метода позволяют получать охлажденные частицы в большихколичествах.2. Плазмохимический синтез. Данная технология представляет собой наиболее распространенный метод получения высокодисперсных порошков боридов, карбидов, нитридов и оксидов [13].
В этом методе используют низкотемпературную (4000 – 10000 K)12азотную, аммиачную, водородную, углеводородную либо аргоновую плазму, которуюсоздают с помощью дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов.Характеристики получаемых порошков зависят от используемого сырья, технологиисинтеза и типа реактора. Частицы таких порошков чаще всего представляют собоймонокристаллы размерами от 10 до 100 – 200 нм и более. Главные недостатки плазмохимического синтеза — широкое распределение частиц по размерам (т.е. низкая селективность процесса), а также большое содержание примесей в порошке.
Разновидностьюплазмохимического синтеза является газофазный синтез с использованием лазерногонагрева реагирующей смеси. Конкурентоспособность этого метода обусловлена его надежностью и экономичностью. При лазерном нагреве исключено загрязнение смеси иобеспечена возможность контроля гомогенного зародышеобразования.3. Осаждение из коллоидных растворов [21,22].
Для получения наночастиц из коллоидныхрастворов химическую реакцию между компонентами раствора прерывают в нужныймомент времени, после чего систему переводят из жидкого (коллоидного) в твердое(дисперсное) состояние. Наночастицы можно получать также с помощью ультразвуковой обработки коллоидных растворов, содержащих крупные частицы. Осаждениеиз водных коллоидных растворов применяют для получения различных халькогенидов (сульфидов, селенидов, теллуридов) металлов, обладающих полупроводниковымисвойствами [13]. Основная проблема данного метода связана с необходимостью предотвращения коалесценции полученных наночастиц.4. Пиролиз [13].
При получении нанокристаллических порошков металлов и их соединений с помощью пиролиза (термического разложения) исходными веществами обычнослужат сложные элементо- и металлоорганические соединения, полимеры, гидроксиды, карбонилы, формиаты, нитраты, оксалаты, амиды, имиды, азиды металлов. Этивещества содержат все или почти все химические элементы, которые должны присутствовать в получаемом продукте.
При нагреве до определенной температуры исходныевещества разлагаются с образованием синтезируемого продукта и выделением газообразных соединений. Высокодисперсные металлические порошки синтезируют путемтермического разложения различных солей. Основным недостатком термического разложения является сравнительно невысокая селективность процесса.5. Механосинтез. Суть метода заключается в том, что кластеры производятся из твердого тела или жидкости при эрозии поверхности, когда некое воздействие приводит к13распылению, в результате чего образуются различные осколки, включая и заряженныекластеры. Основой механосинтеза является механическая обработка твёрдых смесей, врезультате которой происходит измельчение веществ [22].
Недостатком механосинтезаявляется большая дисперсия размеров получаемых частиц. Также используется методдетонационного синтеза — это еще один вид механического воздействия, при которомодновременно создаются условия как для размельчения исходных веществ, так и длясинтеза конечного продукта, — воздействие ударной волны [13,22]. Детонация взрывчатых веществ достаточно широко используется для осуществления фазовых переходовв веществах и детонационного синтеза.
Детонационный синтез как быстро протекающий процесс позволяет получать тонкодисперсные порошки в динамических условиях,когда важную роль играют кинетические процессы.В настоящее время наиболее широко используются кластерные источники первого типа,поскольку их основным достоинством является возможность получения частиц, чьи размерыраспределены в узком диапазоне, а состав и заряд заранее предсказуем.
Для работы такихисточников необходимо получить пары вещества, из которого впоследствии будут изготовлены кластеры. Выбор конкретного метода зависит от вида кластеров, которые необходимополучить [8]. Перечислим наиболее известные методы получения паров веществ для производства кластеров:– Лазерная абляция. Интенсивный лазерный пучок фокусируется на поверхности, вследствие чего происходит нагрев некоторой области поверхности до высокой температуры.В процессе лазерной абляции образцов со сложным составом происходит образованиепобочных продуктов, которые состоят из молекул испаряемого вещества, их осколков,а так же молекулярных и атомарных ионов, которые участвуют в дальнейшем процессеохлаждения.– Нагревание в печи или тигле.
Интенсивность потока испаряемого вещества можно регулировать температурой тигля. К этой же группе методов можно отнести простыетермические источники, представляющие собой открытые нагреватели без изолирующих экранов [23].– Электродуговой разряд. При электродуговом испарении в вакууме помимо паров металла в состав продуктов эрозии катода входят капельная фракция и ионизированныечастицы. Капельная фракция определяется свойствами материала катода и плотностьютока дуги разряда, что является серьезным недостатком метода.14– Магнетронный разряд. Действие магнетронной системы основано на распылении катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, которые образуются в плазме аномального тлеющего разряда в скрещенных магнитных и электрических полях.
При этомвозникает вторичная электронная эмиссия, поддерживающая горение разряда. Магнетронное распыление на постоянном токе дает возможность получать пары из любыхметаллов, сплавов и полупроводниковых материалов, а использование высокочастотного разряда реализует возможность распыления диэлектрических материалов. Методявляется сложным и дорогостоящим в применении.– Электронно-лучевое испарение. Испарительные устройства, основанные на электроннолучевом способе нагрева, направляют поток электронов на поверхность металла, сплаваили какого-либо соединения, помещенного в тигель. Вещество быстро нагревается дотемпературы плавления и испаряется.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
