Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

Хімічний факультет

Із нанотехнологій

Виконала: Белей Марія,

студентка 41 групи

Луцьк 2016

1. Газофазовий синтез (конденсація парів)

Ізольовані наночастинки зазвичай отримують випаровуванням металу, сплаву або напівпровідника при контрольованій температурі в атмосфері інертного газу низького тиску з подальшою конденсацією парів поблизу або на холодній поверхні. Це найпростіший спосіб отримання нанокристалічних порошків. На відміну від випаровування у вакуумі, атоми речовини, випарюваного в розрідженій інертній атмосфері,швидше втрачають кінетичну енергію через зіткнення з атомами газу і утворюють сегрегації (кластери).

Установки, які використовують принцип випаровування-конденсації, розрізняються за способом введення матеріалу, який випаровується, способом підведення випаровуючого матеріалу, способом підведення енергії для випаровування; робочим середовищем; організацією процесу конденсації; системою збору отриманого порошку.

Випаровування металу може відбуватися з тигля, або ж метал поступає в зону нагріву і випаровування у вигляді дроту, всипаного металічного порошку або в струмені рідини. Може використовуватися також розпорошення металу пучком іонів аргону. Підведення енергії може здійснюватися безпосереднім нагріванням, пропусканням електричного струму через дріт, електродуговим розрядом в плазмі, індукційним нагріванням струмів високої і середньої частоти, лазерним випромінюванням, електротронпроменевим нагрівом. Випаровування і конденсація можуть відбуватися в вакуумі, в нерухомому інертному газі, в потоці газу, в тому числі, в струмені плазми. Конденсація парогазової суміші з температурою до 5000-10000 К може відбуватися при її вступі до камери з великим перетином і обсягом, заповнену холодним інертним газом; в цьому випадку охолодження відбувається за рахунок розширення газової суміші і завдяки контакту з холодною інертною атмосферою. Існують установки, в яких в камеру конденсації коаксиально надходять два струмені: парогазова суміш подається вздовж осі, а по її периферії надходить кільцева струмінь холодного інертного газу. В результаті турбулентного змішування температура парів металу знижується, збільшується пересичення, і відбувається швидка конденсація.

Сприятливі умови конденсації металевих парів створюються при адіабатичному розширенні в соплі Лаваля, коли в результаті швидкого розширення створюється високий градієнт температури, і конденсація пари відбувається майже миттєво.

Самостійним завданням є збирання отриманого конденсацією нанопорошку, так як його частинки настільки малі, що знаходяться в постійному броунівському русі і залишаються зваженими в рухомому газі, що не осідаючи під дією сили тяжіння. Для збору одержуваних порошків використовують спеціальні фільтри і відцентрове осадження; в деяких випадках застосовується уловлювання рідкою плівкою.

Основними закономірностями утворення нанокристалічних частинок методом випаровування та конденсації є наступні.

1. Утворення наночастинок відбувається при охолодженні пари в зоні конденсації, яка тим більше, чим менше тиск газу; внутрішня межа зони конденсації знаходиться поблизу випарювача, а її зовнішня межа в міру зменшення тиску газу може вийти за межі реакційної судини; при тиску, рівному декільком сотням Па, внутрішня межа зони конденсації знаходиться всередині реакційної камери діаметром 0,1 м, і в процесі конденсації істотну роль відіграють конвективні потоки газу.

2. При збільшенні тиску газу до декількох сотень Па середній розмір частинок спочатку швидко збільшується, а потім повільно наближається до граничного значення в області тисків більше 2500 Па.

3. При однаковому тиску газу перехід від гелію до ксенону,від менш щільного інертного газу до більш щільного, супроводжується ростом розміру частинок в кілька разів.

Залежно від умов випаровування металу (тиск газу, положення і температура підкладки) його конденсація може відбуватися як в об'ємі, так і на поверхні реакційної камери. Для об'ємних конденсатів більш характерні частинки сферичної форми, тоді як частинки поверхневого конденсату мають огранення. При однакових умовах випаровування і конденсації метали з більш високою температурою плавлення утворюють частинки меншого розміру. Газофазовий синтез дозволяє отримувати частинки розміром від 2 до декількох сотень нанометрів. Форма нанокластерів при розмірі менше 20 нм близька до сферичної, при великих розмірах набуває огранювання. Розподіл нанокластерів за розмірами підпорядковується логарифмічно нормальному закону. При великому тиску область конденсації зосереджена поблизу випарювача, при зменшенні тиску зовнішня межа знаходиться за межами реакційної камери.Використання молекул більш важких інертних газів призводить до збільшення нанокластеров.

При утворенні всередині обсягу камери формуються нанокластери округлої форми, а на стінках, як правило, нанокластери з огранюванням. При однакових умовах випаровування і конденсації матеріали, що мають більш високу температуру плавлення, утворюють частинки меншого розміру.

Якщо в камері знаходиться більше одного елемента, то можливо синтезувати з'єднання, причому надавати часткам різну форму.

Одна з установок для левітаційно-струменевого, газофазного синтезу (рис.1) являє собою колону, у верхній частині якої відбувається випаровування з поверхні рідкої краплі на кінці дроту.

Рис. 1 Схема отримання високодисперсних металевих порошків в левітаційно-струменевому генераторі: 1 - випарювач, 2 - капля, 3 - індуктор, 4 - аерозоль, 5 - холодильник, 6 - фільтр, 7 - контейнер, 8 - насос, 9 - механізм подачі дроту

Більш дрібні частинки контрольованого розміру отримують за допомогою поділу кластерів по масі під час прольоту в мас-спектрометрії. Наприклад, пари металу пропускають через осередок з гелієм під тиском ~1000-1500 Па, потім виводять в вакуумну камеру (~ 10-5 Па), де маса кластера встановлюється за часом прольоту певної відстані в мас-спектрометрі. Таким способом отримували кластери стибію, бісмута і свинцю, що містять 650, 270 і 400 атомів відповідно; температури газоподібного гелію в разі парів Sb і Bі становила 80 К, a в разі парів РЬ - 280K.

Для отримання нанокристалічних порошків застосовуються плазмовий, лазерний і дуговогий способи нагріву. Так, були отримані наночастинки карбідів, оксидів і нітридів з допомогою імпульсного лазерного нагрівання металів в розрідженій атмосфері метану (в разі карбідів),кисню (в разі оксидів), азоту або аміаку (в разі нітридів). Імпульсне лазерне випаровування металів в атмосфері інертного газу (Не або Аr) і газу-реагенту (O2, N2, NНз, СН4) дозволяє отримувати суміші нанокристалічних оксидів різних металів, окcидно-нітридні або карбідно-нітридні суміші. Склад і розмір наночастинок можна контролювати зміною тиску і складу атмосфери (інертний газ і газ-реагент), потужністю лазерного імпульсу, температурного градієнта між випарюваною мішенню і поверхнею, на якій відбувається конденсація.

2. Просвітна електронна мікроскопія

Просвітний електронний мікроскоп дає можливість "заглянути" у внутрішній світ будови матеріалу виробу, спостерігати дуже дрібні частинки включень, недосконалості кристалічної будови - субзерна, дислокації,які неможливо розгледіти за допомогою світлового оптичного мікроскопа.

ПЕМ працює за схемою проходження електронних променів на відміну від світлового металографічного мікроскопа, в якому зображення формується відбитими світловими променями. Джерело світла в електронному мікроскопі замінене джерелом електронів, замість скляної оптики використовуються електромагнітні лінзи (для заломлення електронних променів).

ПЕМ складається з електронної гармати-пристрою для отримання пучка швидких електронів і системи електромагнітних лінз. Електронна гармата і система електромагнітних лінз розміщені в колоні мікроскопа, в якій в процесі роботи мікроскопа підтримується вакуум 10-2-10-3 Па.

Мал. 1 Принципова схема просвітного електронного мікроскопа: 1 -джерело випромінювання; 2 - конденсор; 3 - об'єкт; 4 - об'єктив; 5 - первинне проміжне зображення; 6 - вторинне проміжне зображення; 7 -проекційна лінза

Принципова оптична схема ПЕМа показана на мал. 1. В електронній гарматі 1 катод - розпечена вольфрамова нитка випускає електрони, які прискорюються на шляху до анода потужним електричним полем, проходять через отвір анода. Отриманий вузький інтенсивний пучок електронів, які швидко летять вводиться в систему електромагнітних лінз електронного мікроскопа.

Після фокусування двоступінчастою електромагнітною лінзою (конденсором) 2, електронні промені, проходячи через об'єкт 3, розсіюються і далі фокусуються об'єктивною лінзою 4, яка формує первинне зображення 5,яка просвічує 1 електронами частини об'єкта. Об'єктивна лінза дає збільшення приблизно в 100 раз. Наступна за об'єктивною, проміжна лінза перекидає проміжне зображення з невеликим збільшенням (зазвичай до 10 разів) 6 в предметну площину проекційної лінзи 7, а проекційна лінза формує остаточне сильно збільшене зображення (проекційна лінза дає збільшення до 100 разів). Таким чином, загальне збільшення електронного мікроскопа може досягати 100 000 раз.

Завдання, які вирішуються за допомогою просвітного електронного мікроскопа:

Якщо растрова електронна мікроскопія може пояснити, як сталося руйнування в досліджуваному матеріалі виробу, як металева поверхня деталі відгукується на термопластичний вплив зовнішнього середовища, то просвітна електронна мікроскопія може пояснити, чому це відбувається, як цьому сприяє структурно-фазовий стан матеріалу.

Метод просвітної електронної мікроскопії дозволяє вивчати внутрішню структуру досліджуваних металів і сплавів, зокрема:

* визначати тип і параметри кристалічної решітки матриці і фаз;

* визначати орієнтаційні співвідношення між фазою і матрицею;

* вивчати будову кордонів зерен;

* визначати кристалографічну орієнтацію окремих зерен, субзерен;

* визначати кути розорієнтовки між зернами, субзернами;

* визначати площинні залягання дефектів кристалічної будови;

* вивчати щільність і розподіл дислокацій в матеріалах виробів;

* вивчати процеси структурних і фазових перетворень в сплавах;

* вивчати вплив на структуру конструкційних матеріалів технологічних факторів (прокатки, кування, шліфування, зварювання і т.д.).

Всі перераховані вище завдання постійно зустрічаються в практичній діяльності дослідників металів і сплавів. Головною з них є завдання вибору матеріалу конструкцій із заданими механічними властивостями, такими щоб готова конструкція змогла стабільно працювати в умовах подальшої її експлуатації. Це завдання можна вирішити тільки спільними зусиллями кристалографії, металознавців і технологів. Успіх її рішення залежить:

* від правильного вибору металу основи з потрібним типом кристалічної решітки - це область кристалографії;

* від легування і термопластичної обробки металу з метою формування в ньому заданої структури - це область металознавства;

* від розробки технологічних процесів виготовлення конструкції-це область технології.

Завдання створення сплаву із заданими механічними властивостями має на увазі створення матеріалу з потрібною внутрішньою структурою, оскільки практично всі механічні властивості є структурно-чутливими. Всі без виключення зміни властивостей металів і сплавів в глибинних або поверхневих шарах це відгук на зміну їх внутрішньої будови на макро-, мікро- і субмікро-скопічному рівнях.

Вивчення мікротопографії поверхні і внутрішньої структури конструкційних матеріалів є одним з найбільш ефективних додатків потужних сучасних і швидко розвиваються методів растрової і просвітної електронної мікроскопії.

Зазначимо недоліки просвітного електронного мікроскопа. Матеріалам потрібна особлива підготовка перед безпосередніми дослідженнями, оскільки необхідно виготовити зразок такої товщини, щоб електрони в достатньому ступені проходили крізь нього. Досліджувані зразки можуть бути розташовані тільки на графені - вуглецевому наноматеріалі в один атом товщиною, що забезпечить достатню пропускну здатність. Поле зору ПЕМ є обмеженим тим, що не дозволяє зробити оцінку всієї поверхні зразка.

У випадку з біоматеріалів велика ймовірність нанесення пошкоджень зразка. випаровування конденсація нанокристалічний мікротопографія

Далі розглянемо обмеження по розширенню. Дозвіл ПЕМ часто обмежується сферичними і хроматичними абераціями. Нове покоління коректорів вже дозволяє здолати значну частину сферичної аберації. Програмне забезпечення для корекції сферичних аберацій дозволило отримати зображення атома вуглецю в алмазі з досить високим дозволом. Раніше цього зробити не вдавалося, оскільки міжатомна відстань становила 0,89 ангстрем (89 пікаметрів, 1 ангстрем = 100 пікаметрів = 10-10 м). Збільшення в цьому випадкустановило 50 мільйонів разів. Здатність визначати розположення атомів в матеріалах зробив ПЕМ незамінним інструментом для нанотехнологій, для наукових досліджень і розробок в багатьох областях, в тому числі і в області гетерогенного каталіза, а також в області розробки напівпровідникових приладів для електроніки та фотоніки.

Складові частини просвітного електронного мікроскопа.

Сучасний трансмісійний електронний мікроскоп являє собою досить складну в технологічній та експлуатаційній аспектах установку, використання якої без наявності спеціальних знань і навичок у відповідній області може призвести до критичних порушень роботи цього обладнання. Крім того, без розуміння основних принципів функціонування мікроскопа неможливо коректно інтерпретувати і аналізувати результати, отримані завдяки його роботі.

На рис. 1.1 показаний зовнішній вигляд просвітного електронного мікроскопа JEM-2100F, наведені назви його основних вузлів.

Мал. 1.1 Зовнішній вигляд просвітного електронного мікроскопа (ПЕМ) (модель JEM-2100F). [1]

У нанотехнології ПЕМ використовується не тільки для діагностики структури і хімічного аналізу, але і для вирішення інших завдань. Серед них - визначення температур плавлення нанокристалів, коли електронний промінь використовується для нагріву нанокристалів, а точка плавлення визначається по зникненню електронної дифракційної картини. Іншим прикладом є вимір механічних і електричних параметрів окремих нанониток і нанотрубок. Метод дозволяє отримати однозначну кореляцію між структурою і властивостями нанониток.

Размещено на Allbest.ru