Нанокристалды ұнтақтарды синтездеу әдісі

6.1.1 Газфазалы синтез – бұл нанокристалды ұнтақтарды синтездеудің ең қарапайым әдісі. Оқшауланған нанобөлшектерді металлдарды, балқымаларды және жартылай өткізгіштерді белгілі бір температурада, төмен қысымды инертті газ ортасында буландырып суық бетке конденсациялау арқылы алады. Вакуумде буландырумен салыстырғанда инертті ортада буландырылған қосылыс атомдары газ атомдарымен соқтығысуы нәтижесінде кинетикалық энергияларын тезірек жоғалтады.

Осы бағыттағы алғашқы жұмыстар 20 ғасырдың басында жасалынған болатын. Әртүрлі газдарда әртүрлі металдарды буландыру арқылы алған бөлшектерді зерттеу бөлшектердің мөлшері инертті газдың қысымы, және атомдық массасына және буландыру жылдамдығына тәуелді екенін көрсетті. Аллюминий буларын Н₂, Не және Аr орталарында 0,1-0,9 дан 2,7-3 мм.сын.бағ. бойынша конденсациялау диаметрлері 20-дан 100 нанометрге дейінгі бөлшектер түзілетіні анықталды. Одан кейінірек Аr және Не ортасында екі металдың пары қоспасынан жоғарыдисперсті балқымалардың Аu-Сu, Fе-Сu диаметрлері 16-50 нм. сфералық бөлшектер алына бастады. Мөлшерлері ≤ 20 нм бөлшектер сфералық формада, ал одан үлкен бөлшектер бұрышты болуы мүмкін.

Буландыру-конденсациялауға арналған қондырғылар буландыратын затты енгізу әдісіне, буландыруға арналған энергия түріне, реакция ортасына, конденсация процесін жүргізілуге және түзілген бөлшектерді жинау жүйесіне байланысты ерекшеленеді.

Металды буландыруды тигельде металл ұнтақтарын шашырату, сұйық ағыны, металды инертті газдардың иондарын буландыру арқылы жүргізуге болады. Энергия электр тоғын сымнан өткізу арқылы тікелей қыздыру, лазерлі немесе электро-сәулелі қыздыру көмегімен жүзеге асады. Испарение может проводиться в вакууме, неподвижных инертных газах и в их потоках, в том числе и плазменных. Температурасы 4500-9500⁰С бу-газ қоспасының конденсациялануы ол үлкен көлемді суық инертті газбен толтырылған камераға түскен кезде болады. Салқындау тез кеңею және суық атмосферамен жанасу нәтижесінде болады.

Алынған наноұнтақты жұмыс камерасынан шығарып алу күрделі мәселе болып отыр. Оның бөлшектерінің кішкентайлығы сонша ауырлық күшінің әсерінен тұнбай, газда тұрақты броун қозғалысында болады. Оларды жинау үшін арнайы фильтрлер мен орталыққа жинап тұндыру қолданылады. Кейбір жағдайларда металдардың нанобөлшектерін жинауға сұйық пленкалар да қолданады. 6.1-суретте наноұнтақтарды алуға арналған қондырғы схемасы берілген:

6.1-сурет. Жоғарыдисперсті металл ұнтақтарын левитационды-ағынды генераторда алудың схемасы. 1 – буландырғыш, 2 – тамшы, 3- индуктор, 4- аэрозоль, 5 – тоңазытқыш, 6 – фильтр, 7 – контейнер, 8 – насос, 9 – сымды енгізу механизмі

Бұл левитационды-ағынды қондырғыда (1961г) металл сұйық тамшы бетінен инертті газдың ламинарлы (қалыпты, біркелкі) ағыныда буланады. Тамшы қыздыру зонасында жоғарыжиілікті электромагнит өрісі арқылы ұсталынып тұрады. Металл буларының аэрозольдері суытатын құрылғыдан кейін фильтрге қонады да, боксте жиналады. Газ ағыны жылдамдығының артуы бөлшектердің орташа мөлшерін кішірейтіп оларды біркелкі етеді. Металл шығыны қыздыру зонасына сымды бірқалыпты енгізумен жүзеге асады. Осындай левитационды-ағынды генератор көмегімен бөлшектерінің мөлшері 2ден 200 нм дейінгі металл ұнтақтарын алуға болады.

Буландыру және конденсация әдісі арқылы нанокристалды бөлшектердің түзілуінің нгегізгі заңдылығы:

1. Бөлшектер буды салқындату кезінде конденсация зонасында түзіледі. Конденсация зонасы газ қысымын азайтқан сайын артады. Оның ішкі шекарасы буландырғыш маңында орналасқан Ал сыртқы шекара қысымның төмендеуіне байланысты реакциялық ыдыстың сыртына шығуы мүмкін. Қысым 1·10⁴ мм. сын. бағ. Болғанда конденсацияның ішкі шекарасы диметрі ≥ 0,1м реакциялық камераның ішінде болады;

2. Қысымды 10³ -10⁴мм сын. бағ. дейін арттыру бөлшектердің размерлерінің мөлшерінің күрт өсуіне әкеледі. Қысымды одан әрі 5·10⁴ дейін арттыру бөлшектердің размеріне әсер етпейді;

3. Тығыздығы төмен газдан (Не) одан тығыз газға (Хе) ауысу бөлшектердің размерлерінің бірнеше есе артуына әкеледі.

Газдардың көлемдегі конденсациясы көбінесе сфера тәрізді қосылыстардың түзілуіне алып келеді. Конденсаттан түзілген кристаллитер әдетте бұрышты болады.

Газ фазасының құрамын регулирлеу арқылы, яғни оның құрамында инертті газдан басқа бірнеше элемент болса формалары әртүрлі монокристалиттер өсіруге болады.

Сd:S концентрациясының өзгерісі 1(яғни стехиометриясы) болғанда кадмий сульфидінің пластинка, лента, жіпше тәрізді бөлшектері алынған. Кристаллиттердің құрылымдық өсуі негізінде аралық кластерлі бөлшектер (СdS)n, (Сd₂S)n, (Сd₃S)n түзілу арқылы жүреді. Түзілген нанобөлшектің формасына әсер ететін негізгі фактор газ фазасының бастапқы заттарының қатынасы мен температура болып табылады.