Способ синтеза наночастиц металлов осаждением на пористый углеродный материал

Изобретение относится к получению наночастиц металла. Способ включает испарение мишени из металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц металла. Испарение мишени из металла ведут электронным пучком, направленным под углом 30-90 градусов к поверхности мишени. Обеспечивают пространственное сканирование электронного пучка по двум координатам на мишени с частотами в пределах 5-200 Гц и амплитудой 5 мм в течение 10-1000 секунд и временную модуляцию тока пучка с частотой 10-100 Гц со скважностью 1-10. Осаждение наночастиц металла осуществляют из направленного потока на подложку, покрытую пористым углеродным материалом толщиной 0,1-2 мм, насыпной плотностью 0,04-0,06 г/см и установленную на водоохлаждаемом медном экране. Обеспечивается уменьшение поглощения энергии в парах металла, что увеличивает производительность распыления. 3 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к способам получения наночастиц металлов и может применяться в медицине, химической промышленности, микро- и наноэлектронике, приборостроении.

При синтезе наночастиц металлов известными из области техники способами, например, плазменным распылением, взрывом проволочек, термическим распылением, лазерным распылением и др., основанными на нагреве исходного образца до температур, при которых происходит его интенсивное распыление в молекулярном, либо атомарном виде, приходится решать следующие задачи:

- минимизация потерь энергии и вещества при нагреве;

- отвод тепла при охлаждении продуктов распыления и выделения теплоты конденсации;

- реализация механизма конденсации, который приводит к формированию наночастиц нужного размера;

- сбор, хранение и транспортировка наночастиц металлов. Использование мощных электронных пучков для синтеза наночастиц

имеет ряд преимуществ, связанных с их высоким КПД, малым энергопотреблением (возможностью подвода энергии без потерь к необходимой области образца), низкой ценой оборудования и эксплуатационных расходов. Способ является универсальным относительно материалов мишени, т.к. позволяет испарять практически любые материалы, включая органические.

При использовании ускорителей с высокой энергией электронов (более 2 МэВ) возможно испарение мишеней в газе высокого давления, что упрощает вопросы охлаждения паровой фазы. Преимуществами являются также высокий КПД процесса вследствие прямого преобразования электрической энергии в тепловую энергию в нагреваемом материале, темп нагрева испаряемого материала выше 1000 град/сек и химическая чистота пучка электронов.

Однако сбор наночастиц из газовой среды представляет определенные трудности.

Электронно-лучевые установки с энергией электронов до 100 КэВ доступны, однако в этом случае вывод пучка в атмосферу невозможен. Сечение взаимодействия электронов с атомами другого вещества достаточно большое, в результате чего необходимо выводить пучок из электронной пушки в глубокий вакуум (10-3 - 10-4 торр), что позволяет вкладывать большую энергию в малый объем, т.к. длина пробега электронов в твердом материале составляет несколько микрон.

Расширение паров металла в газ низкого давления позволяет получить высокие скорости охлаждения пара и одновременного уменьшения его концентрации, что приводит к протеканию процессов гомогенной конденсации и формированию потоков наночастиц.

Одной из самых сложных и не решенных до сих пор проблем при синтезе наночастиц металлов остается их сбор, хранение и транспортировка. Высокая поверхностная энергия наночастиц способствует их активному взаимодействию с окружающей средой и быстрому коагулированию. Для хранения и транспортировки необходимы специальные контейнеры, содержащие инертную среду, пригодную для данного нанопорошка (газообразную, жидкую или твердую). Инертную окружающую среду для хранения наночастиц создать достаточно сложно.

Известны технические решения, когда наночастицы, помещают в органическую жидкость, полимерную матрицу, инкапсулируют углеродом или солью, чтобы предохранить их от коагулирования. При этом органическая жидкость или полимер не должны менять свойства наночастиц, и при необходимости должны удаляться и освобождать наночастицы с сохранением их свойств и размеров.

Известен способ получения нанопорошков металлов, сплавов или соединений металлов с неметаллами (В, С, О, Si), инкапсулированных в инертную оболочку соли, [US 2008268178, 2008-10-30, С23С 14/30; С23С 16/00], включающий испарение материала и галогенида щелочного металла и конденсацию смеси из паровой фазы на поверхности подложки, выполняемые одновременно в замкнутом объеме. В нижней части закрытого объема располагают тигли со слитками соли и материала, а электронные и/или лазерные лучи используют в качестве источника для нагрева соли и материала вплоть до температуры их испарения. Получаемые инкапсулированные в инертную оболочку нанопорошки материалов имеют небольшую дисперсию распределения по размеру, не подвержены окислению в атмосфере, легко извлекаются путем растворения оболочки.

Недостатком указанного способа является то, что при выделении наночастиц металла они попадают в жидкую среду растворителя и могут либо коагулировать в ней, либо вступать в химическую реакцию с растворителем (в зависимости от металла).

Известен способ получения наночастиц металл-кислород путем испарения и конденсации электронным пучком в вакууме [UA 92556, 2010-11-10, С23С 14/24; С23С 14/54; В82В 3/00], включающий одновременное нагревание и испарение в вакуумной камере металла или сплавов металлов, а также твердого носителя, по меньшей мере из двух отдельных контейнеров, смешивание паровых потоков исходного материала и носителя, осаждение пара на подложке с фиксацией наночастиц исходного материала на подложке материалом упрочняющего носителя и образование конденсата наночастиц в носителе.

В изобретении заявлено, что применение указанного способа позволяет упростить процессы хранения, транспортировки и подготовки растворов без нарушения размера наночастиц со временем. Однако недостатком указанного способа является то, что при одновременном распылении углерода и металла (для большинства металлов) возможно образование карбидов, которые невозможно восстановить до чистого металла.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и получаемому результату является способ получения наночастиц никеля в углеродной оболочке [UA 104013 (С2) - 2013-12-25 С23С 14/28; С23С 14/54; С23С 14/58; С30В 30/00], заключающийся в испарении смеси углерода и никеля электронным пучком в вакууме до температуры, превышающей температуру плавления никеля (1455°С) с выдержкой в течение 20-30 мин. до образования стабильной жидкой фазы Ni3C, после чего увеличивают температуру выше 2300°С и проводят испарение в вакууме с последующим осаждением материала в виде закапсулированных углеродом наночастиц никеля на поверхности полупроводника с молекулярным типом связи и слоистой кристаллической структурой.

Изобретение обеспечивает получение инкапсулированных в углероде наночастиц никеля высокой плотности, однородности формы и геометрических размеров и легкое отделение этих частиц от подложки.

Недостатком указанного способа является то, что при попадании в атмосферу, диффузия кислорода приведет к формированию наночастиц оксидов металла. В случае, если конечным материалом является оксид металла, то это не является проблемой, в случае же использования наночастиц металлов, необходимо хранение закапсулированных углеродом наночастиц (на углеродной матрице) в инертной среде, например, в среде инертного газа.

Во всех известных технических решениях напыляют одновременно и матрицу и наночастицы.

В основу изобретения положена задача создания способа синтеза наночастиц металлов, позволяющего существенно упростить процессы сбора, хранения, транспортировки и выделения наночастиц чистых металлов, минимизировать потери энергии, чем увеличить производительность по распылению металла.

Задача решается путем создания способа синтеза наночастиц металлов осаждением из направленного потока на пористый углеродный материал, включающего испарение металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц на подложку, в котором, согласно изобретению, для сбора наночастиц металла в вакуумной камере на водоохлаждаемом медном экране устанавливают подложку, покрытую пористым углеродным материалом толщиной 0,1-2 мм, насыпной плотностью 0,04-0,06 г/см, пространственное сканирование электронного пучка осуществляют по двум координатам на мишени с частотами в пределах 5-200 Гц и амплитудой 5 мм, в течение 10-1000 секунд, временную модуляцию тока пучка осуществляют с частотой 10-100 Гц со скважностью (отношение длительности тока к длительности паузы) 1-10, при этом электронный пучок направляют под углом 30-90 градусов к поверхности металла.

Для распыления образцов электронным пучком в открытую вакуумную камеру помещают металл либо в виде пластины, либо металл в графитовом тигле. На водоохлаждаемом медном плоском экране устанавливают подложку с нанесенным углеродным покрытием. Подложка может быть выполнена из любого материала с высокой теплопроводностью, например, из тонкой медной фольги.

Предварительно на подложку осаждают углеродный материал толщиной 0,1-2 мм, насыпной плотностью 0,04 - 0,06 г/см. Осаждение пористого углеродного покрытия на подложку осуществляют, например, плазменно-дуговым синтезом. Предварительно напыленный пористый углеродный материал является матрицей для хранения и транспортировки наночастиц металла. Использование пористой сажи определяет наличие большого числа «разорванных» углеродных связей, что позволяет надежно удерживать наночастицы металла, предотвращая их коагуляцию. Слабая

адгезия сажи к подложке и высокая ее пористость являются существенным преимуществом при сборе наночастиц металла на углеродной матрице.

Распыление осуществляют электронной пушкой в вакууме.

Пространственное сканирование электронного пучка осуществляют по двум координатам на мишени с частотами в пределах 5-200 Гц и амплитудой 5 мм. Временную модуляцию тока пучка осуществляют с частотой 10-100 Гц со скважностью (отношение длительности тока к длительности паузы) 1-10. При этом электронный пучок направляют под углом 30-90 градусов к поверхности металла.

При интенсивном испарении для данной энергии электронов отсутствие модуляции (перемещение зоны взаимодействия электронного пучка с металлом по области диаметром около 1 см) приводит к поглощению определенной доли электронов пучка (энергии) уже в газовой фазе. Это приводит к уменьшению расхода испаренного вещества и увеличению энергии атомов металла в газовой фазе. Также могут происходить процессы ионизации атомов металла. Предотвращению указанных эффектов способствует наклонное падение пучка электронов на поверхность металла. Это приводит к уменьшению взаимодействия электронов пучка с атомами металла в газовой фазе.

Предложенные параметры сканирования позволяют достичь уменьшения поглощения энергии в парах металла и, следовательно, увеличения производительности распыления металла.

Для реализации способа используют электронно-лучевую установку. Распыление электронным пучком осуществляют в открытой вакуумной камере. Пучок электронов направляют на мишень через отверстие в охлаждаемом медном экране, на который установлена подложка для сбора распыленного материала.

К настоящему времени выполнены эксперименты по распылению различных металлов, в том числе, серебра, вольфрама, олова, железа,

которые показали, что подобным способом в углеродную матрицу можно осаждать любой металл.

Экспериментальная установка представляла собой источник пучка электронов с энергией 60 КэВ и регулируемым током в пределах 0 - 250 мА. Вакуумную камеру откачивали до давления 10-4 - 10-5 Тор. Для анализа результатов использовали: электронные просвечивающие микроскопы JEM-2010 (JEOL, Ltd, Japan) и JEM-2200FS (JEOL, Ltd, Japan); электронные сканирующие микроскопы S-3400N и JSM-6700F.

В качестве примера на фигуре 1 представлена фотография морфологии материала при напылении вольфрама на сажу (серые области). На фигуре видны в саже наночастицы вольфрама размером несколько нано метров (б) и скопления этих наночастиц (а). Размер частиц составляет 1-10 нм.

Результаты экспериментов по влиянию модуляции пучка электронов (перемещение зоны взаимодействия электронного пучка с металлом по области диаметром около 1 см) при распылении вольфрама представлены на фигуре 2 и на фигуре 3. На фигуре 2 представлена фотография среза кремниевой пластины без модуляции электронного пучка при испарении вольфрама. На фигуре 3 представлена фотография среза кремниевой пластины с модуляцией электронного пучка при испарении вольфрама. Толщина напыления с модуляцией электронного пучка заметно больше (540 нм) по сравнению со случаем отсутствия модуляции (350 нм).

Полученные результаты продемонстрировали уменьшение потерь энергии и увеличение производительности, упрощение процессов сбора, хранения, транспортировки и выделения наночастиц чистых металлов.

Способ получения наночастиц металла, включающий испарение мишени из металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц металла, отличающийся тем, что испарение мишени из металла ведут электронным пучком, направленным под углом 30-90 градусов к поверхности мишени, при этом обеспечивают пространственное сканирование электронного пучка по двум координатам на мишени с частотами в пределах 5-200 Гц и амплитудой 5 мм в течение 10-1000 секунд и временную модуляцию тока пучка с частотой 10-100 Гц со скважностью 1-10, причем осаждение наночастиц металла осуществляют из направленного потока на подложку, покрытую пористым углеродным материалом толщиной 0,1-2 мм, насыпной плотностью 0,04-0,06 г/см и установленную на водоохлаждаемом медном экране.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме электронно-лучевым способом, конкретно к контролю качества и скорости нанесения покрытий на изделия со сложным профилем, а именно на лопатки газотурбинного двигателя (ГТД).

Изобретение относится к способам защиты металлов от коррозии, в частности к способу нанесения защитного покрытия на подложку из железа, и может быть использовано для изготовления изделий и деталей, работающих в агрессивных средах, для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий на подложки путем электронно-лучевого физического осаждения из паровой фазы. Установка содержит тигельное устройство, содержащее по меньшей мере два тигля, расположенных со смещением друг относительно друга в горизонтальной плоскости.
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к материалам для травматологии и ортопедии, и предназначено для изготовления медицинских имплантатов остеосинтеза.

Изобретение относится к области нанесения покрытий в вакууме электронно-лучевым способом, конкретно к контролю толщины и скорости нанесения покрытий при проведении технологического процесса.

Изобретение относится к технологии химико-термической обработки металлов с использованием концентрированных потоков энергии. .

Изобретение относится к металлокерамическим сплавам с металлическим связующим инструментального назначения и может быть использовано для изготовления высокоресурсного режущего инструмента и пар трения для экстремальных условий эксплуатации.

Изобретение относится к вакуумной ионно-плазменной технологии и может быть использовано, в частности, для обработки длинномерного инструмента (протяжки и др.). .

Изобретение относится к установке для нанесения покрытий в вакууме на рулонные материалы и может быть использовано в различных областях, например, при производстве электронных компонентов, магнитных носителей записывающих устройств, декоративных покрытий.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам нанесения комбинированных покрытий для защиты деталей ГТД от газовой и сульфидной коррозии. .

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к способам получения новых прозрачных консолидированных функциональных материалов (керамик) с высокими механическими характеристиками для фотоники и лазерной техники.
Изобретение относится к области нанотехнологии, медицины и пищевой промышленности. Способ получения нанокапсул сухого экстракта хвоща характеризуется тем, что сухой экстракт хвоща добавляют в суспензию гуаровой камеди в петролейном эфире в присутствии 0,01 г сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты в качестве поверхностно-активного вещества при перемешивании 900 об/мин, далее приливают хладон-112, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат при комнатной температуре, при этом массовое соотношение ядро : оболочка составляет 1:1, 1:2 или 1:3.

Группа изобретений относится к технологии устройств твердотельной электроники и может быть использована при разработке фотоприемников видимого и ближнего ИК-диапазона.

Изобретение относится к фармакологии, фармацевтике, дерматовенерологии, комбустиологии, области получения мазей и других мягких лекарственных форм и представляет собой способ получения средства для местного лечения кожных заболеваний на основе наноразмерных частиц золота, вазелина и твердых присадок, составляемого из раствора наноразмерных частиц золота, получаемого электрохимически через помещение в емкость с рабочей смесью цитратного С6Н8О7 и аммиачного раствора NH4 выполненного из золота электрода, который отделен от другого выполненного из золота электрода микропористой перегородкой, который заключается в том, что полученный раствор наноразмерных частиц золота подвергают сублимации в камере лиофильной сушки для удаления избытков воды с последующим смешиванием с вазелином и смесью порошкового талька с белой глиной в отношении 4 доли вазелина к одной доле талька с глиной и конечной гомогенизацией в ультразвуковом смесителе до получения мази, либо в том, что полученный раствор наноразмерных частиц золота подвергают сублимации в камере лиофильной сушки для удаления избытков воды с последующим смешиванием с вазелином и смесью порошкового талька с белой глиной в отношении одна доля вазелина к одной доле талька с глиной и конечной гомогенизацией в ультразвуковом смесителе до получения пасты.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться для синтеза активной среды при создании мощных лазеров, генерирующих в среднем ИК-диапазоне длин волн.

Предлагаемое изобретение относится к классу композиционных материалов на основе углерода теплозащитного, конструкционного, химостойкого назначений, подлежащих эксплуатации в условиях статических и динамических нагрузок при нагреве до 2000°С в окислительной среде (авиакосмическая техника, высокотемпературное электротермическое оборудование, комплектация атомных реакторов и т.п.), а также к способам их получения.

Изобретение относится к области разработки газовых сенсоров хеморезистивного типа, используемых для детектирования газов. Способ изготовления хеморезистора на основе наноструктур оксида цинка электрохимическим методом характеризуется тем, что в емкости, оборудованной электродом сравнения и вспомогательным электродом, заполненной электролитом, содержащим нитрат-анионы и катионы цинка, осаждают наноструктуры оксида цинка на диэлектрическую подложку, оборудованную полосковыми электродами, выполняющими роль рабочего электрода, путем приложения к рабочему электроду постоянного электрического потенциала от -0,5 В до -1,1 В относительно электрода сравнения в течение 100-200 секунд и при температуре электролита в диапазоне 60-80°С, после чего подложку с осажденным нанослоем оксида цинка промывают дистиллированной водой и высушивают при комнатной температуре.

Арматура композитная содержит несущий стержень из базальтового или стеклянного ровинга и высокомодульные волокна, пропитанные связующим, включающим эпоксидно-диановую смолу, отвердитель, пластификатор с добавкой углеродного нанокомпозита, содержащего многослойные углеродные нанотрубки в количестве не менее 45-50% от его массы, сформированного пиролизом сфагнума бурого с механоактивацией продуктов пиролиза в течение не менее 8 часов.
Изобретение относится к медицине и ветеринарии, в частности к средству для лечения ожоговых ран в виде мази. Средство содержит эмульгатор - ланолин безводный и вазелин медицинский, наночастицы ферригидрита Fe2O3⋅nH2O размером 2-4 нм, полученные в результате культивирования бактерий Klebsiella oxytoca, выделенных из сапропеля озера Боровое Красноярского края, ассоциированные с антибиотиком, представляющим собой амоксициллин или цефотаксим, при их массовом соотношении 1:(0,1-1), соответственно.

Изобретения могут быть использованы при изготовлении электропроводных чернил и покрытий. Совместная дисперсия графеновых углеродных частиц содержит растворитель, по меньшей мере один полимерный диспергатор, имеющий полимерную головную часть и полимерную хвостовую часть с гидрофильной и гидрофобной частью, и по меньшей мере два типа графеновых углеродных частиц, совместно диспергированных в растворителе и полимерном диспергаторе.

Изобретение относится к области квантовой электроники и может использоваться для синтеза активной среды при создании мощных лазеров, генерирующих в среднем ИК-диапазоне длин волн.

Изобретение относится к получению наночастиц металла. Способ включает испарение мишени из металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц металла. Испарение мишени из металла ведут электронным пучком, направленным под углом 30-90 градусов к поверхности мишени. Обеспечивают пространственное сканирование электронного пучка по двум координатам на мишени с частотами в пределах 5-200 Гц и амплитудой 5 мм в течение 10-1000 секунд и временную модуляцию тока пучка с частотой 10-100 Гц со скважностью 1-10. Осаждение наночастиц металла осуществляют из направленного потока на подложку, покрытую пористым углеродным материалом толщиной 0,1-2 мм, насыпной плотностью 0,04-0,06 гсм и установленную на водоохлаждаемом медном экране. Обеспечивается уменьшение поглощения энергии в парах металла, что увеличивает производительность распыления. 3 ил.

Наверх