Газофазный синтез (испарение-конденсация)

В отличие от испарения в вакууме, атомы вещества, испаренного в разреженной инертной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновений с атомами газа и образуют кластеры. Металл испаряется из тигля или вводится в зону нагрева и испарения в виде проволоки, впрыскиваемого металлического порошка или в струе жидкости. Используется также распыление металла пучком ионов аргона. Подвод энергии осуществляется непосредственно нагревом, пропусканием электрического тока через проволоку, электродуговым разрядом в плазме, индукционным нагревом токами высокой и сверхвысокой частоты, лазерным излучением, электронно-лучевым нагревом. Конденсация паровой смеси с температурой до 5000-10000 К может происходить при ее поступлении в камеру с большим сечением и объемом, заполненную холодным инертным газом; в этом случае охлаждение происходит за счет расширения газовой смеси и благодаря контакту с холодной инертной атмосферой. Существуют упаковки, в которых в камеру конденсации коаксиально поступают две струи­–парогазовая смесь подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая струя холодного инертного газа. В результате турбулентного смешения температура паров металла понижается, увеличивается пересыщение, и происходит быстрая конденсация [5].

Основные закономерности метода испарения и конденсации НЧ следующие:

1. Зона конденсации, в которой происходит образование НЧ, имеет определенные границы, зависящие от давления окружающей атмосферы и давления пара испаряемого материала.

2. Увеличение давления газа в зоне конденсации приводит к увеличению среднего размера НЧ, а предельный размер частиц достигается при давлении свыше 2500 Па.

3. Использование более плотного инертного газа приводит к

увеличению размера НЧ и сопровождается ростом частиц в несколько раз.

4. Конденсация может происходить в объеме и на поверхности реакционной камеры, поэтому чаще всего объемные конденсаты имеют сферическую форму, а поверхностные конденсаты имеют огранку, т. е. более совершенную кристаллическую структуру.

5. Форма НЧ зависит от состава газовой фазы, температуры и расположения подложки, т. е. от градиента температуры мишень-подложка.

При одинаковых условиях испарения и конденсации металлы с более высокой температурой плавления образуют частицы меньшего размера. Если давление газа меньше 15 Па, то на стенках достаточно большой реакционной камеры (диаметром более 0.25 м) оседают сферические частицы металлов со средним диаметром менее 30 нм. Регулируя состав газовой фазы, содержащей, помимо инертного газа, два элемента и более, можно выращивать разные по форме малые частицы соединений различной степени кристалличности.

Методом испарения и конденсации получены аморфные и кристаллические оксидные НП со средним размером частиц от 5 до100 нм.

Основным достоинством газофазного метода является простота получения химически чистых НП, за исключением электродугового способа испарения, где НП загрязняется продуктами эрозии электродов.

Таким образом, методы испарения-конденсации, позволяют получать частицы размером до нескольких нм, но длительность процессов получения и соответственно стоимость НП, довольно большие.

Среди методов, основанных на процессе испарения и конденсации, наиболее производительными являются методы электрического взрыва проводников (ЭВП), лазерного испарения и испарения электронным пучком [6].