Способ получения металлических нанокластеров в свободном состоянии

Изобретение относится к физике взаимодействия ускоренных частиц с поверхностью вещества и может быть использовано для создания источника нанокластеров металлов, физические свойства которых обусловливают их широкое применение в науке и технике. Способ получения металлических нанокластеров в свободном состоянии заключается в нанесении вещества на подложку в нанодисперсной фазе и облучении полученной мишени ускоренными тяжелыми ионами в режиме упругого торможения ионов. Электронно-микроскопический анализ вещества, эжектированного из аттестованных нанодисперсных мишеней золота со средними размерами островков-зерен в диапазоне 2-30 нм под действием бомбардировки атомарными ионами Au с энергией 38 кэВ в режиме упругого торможения, указывает на десорбцию нанокластеров в размерном диапазоне до 20 нм с выходом, составляющим ˜0.1 нкл/ион в области 4-8 нм. Это позволяет использовать для получения пучков нанокластеров компактные и дешевые источники ионов с энергией десятки кэВ. 2 ил.

 

Изобретение относится к физике взаимодействия ускоренных частиц с поверхностью вещества и может быть использовано для создания источника нанокластеров металлов, физические свойства которых обусловливают их широкое применение в науке и технике.

Существующие способы получения нанокластеров основаны главным образом на конденсации паров вещества, образующихся, например, при джоулевом разогреве, при облучении лазером, в дуговом разряде и т.д. [1. Р.Milani, S.Ivannotta. Cluster beam synthesis of nanostructured materials. Springer series in cluster physics, Springer. 1999]. Однако возможно также получение нанокластеров в свободном состоянии в результате десорбции квазиизолированных наноостровков-зерен вещества, осажденных на подложку, при облучении таких нанодисперсных мишеней ускоренными ионами и с более узкими размерными распределениями нанокластеров [2. Nucl. Instr. & Meth.in Phys.Res. В146 (1998) 154. I.Baranov, A.Novikov, V.Obnorskii, C.T.Reimann. Macrocluster effect caused by single multiply ions: masses of gold nanoclusters (3-30 nm) arising as a result of electronic processes induced by fission fragment bombardment in ultradispersed targets of gold].

Известно, что ускоренные ионы при столкновении с поверхностью твердого тела теряют свою энергию как в упругих, так и в неупругих взаимодействиях соответственно с атомами решетки и электронной подсистемой. Соотношение удельных потерь энергии ионами в упругих (ядерных) - (dE/dx)n - и в неупругих (электронных) процессах - (dE/dx)e - для данного вещества зависит от энергии (скорости) и массы налетающего иона [3. Ю.В.Трушин. Физическое материаловедение. СПб: «Наука», 2000, 4. J.F.Ziegler, J.P.Biersack and U.Littmark. The Stopping and Range of Ions in Solids, Pergamon Press, New York (1985)].

Впервые вылет металлических нанокластеров (104-107 а.е.м.) под действием ионов был доказан при облучении нанодисперсных мишеней золота осколками деления ядер 252Cf (энергия ˜90 МэВ, масса ˜120 а.е.м., [(dE/dx)e ˜25 кэВ/нм, (dE/dx)n ˜0.5 кэВ/нм]) с помощью динамического масс-спектрографа [5. I.Baranov, В.Kozlov, A.Novikov, V.Obnorskii, I.Pilyugin, S.Tsepelevich. Macrocluster effect caused by single multiply ions: masses of gold nanoclusters (3-30 nm) arising as a result of electronic processes induced by fission fragment bombardment in ultradispersed targets of gold. Nucl. Instr. & Meth.in Phys.Res. B65 (1992) 177-180]. Затем десорбция нанокластеров с поверхности под действием бомбардирующих ионов могла уже контролироваться с помощью коллекторной методики [2], т.е. десорбированные нанокластеры собирали на углеродные пленки толщиной 15-20 нм, предварительно осажденные на электронно-микроскопические сеточки, которые в дальнейшем анализировали на просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ).

Анализ результатов показал, что в данном случае процесс десорбции обусловлен неупругими потерями энергии бомбардирующих ионов (dE/dx)e, т.е. потерями энергии на ионизацию и возбуждение атомов решетки, т.к. потери энергии в упругих столкновениях были на 2 порядка меньше. В условиях нанодисперсной мишени при попадании иона в изолированный островок выделенная им энергия последовательно передается вначале электронам в электрон-электронных взаимодействиях (характерное время термализации возбужденного электронного газа ˜10-16 с), а затем атомам решетки в электрон-фононных взаимодействиях (характерное время процесса ˜10-13 с), выравнивание решеточной температуры происходит уже в фонон-фононных взаимодействиях (10-12-10-11 с). В результате происходит разогрев решетки и отскок островка от подложки в целом виде.

Десорбцию нанокластеров затем наблюдали в многочисленных экспериментах по бомбардировке нанодисперсных мишеней ионами от 40Ar с энергией 45 МэВ [(dE/dx)e ˜14 кэВ/нм, (dE/dx)n ˜0.04 кэВ/нм] [6. I.Baranov, M.Galaktionov, G.Gusinsky, S.Kirillov, V.Naidenov, V.Obnorskii and S.Yarmiychuk. Desorption of gold nanoclusters (2-30 nm) under low excitation energies of their electronic subsystem by Ar (14 keV/nm) ions. XXIV Int. Conf. on Photonic, Electronic and Atomic Collisions (ICPEAC-2005), July 20-26/2005, Rosario, Argentina. Abstracts of contributed papers, vol.2, p.644] до 207Pb с энергией 956 МэВ [(dE/dx)e ˜83 кэВ/нм, (dE/dx)n ˜0.22 кэВ/нм] [7. I.Baranov, S.Kirillov, A.Novikov, V.Obnorskii, M.Toulemonde, K.Wien, S.Yarmiychuk, V.Borodin, A.Volkov. Desorption of gold nanoclusters (2-150 nm) by 1 GeV Pb ions. Nucl. Instr. & Meth. in Phys.Res. В 230_(2005) 495-501].

Общим для всех этих экспериментов является пренебрежимо малый вклад упругих взаимодействий и высокое значение (dE/dx)e, с которым и связывали формирование и вылет нанокластеров из облучаемых мишеней. Способ получения нанокластеров в результате реализации неупругих потерь энергии был реализован в устройстве для получения пучков жидкометаллических нанокластерных ионов [8. Патент РФ на изобретение №2210135, МПК Н01J 27/02, бюл. №22 от 10.08.2003], выбранном в качестве прототипа заявленного способа.

Однако способ получения нанокластеров за счет неупругих потерь налетающих ионов связан с необходимостью облучения исходных нанодисперсных мишеней тяжелыми многозарядными ионами (ТМЗИ) с энергиями в десятки МэВ, пучки которых получают на сложных и дорогих ускорителях. При использовании в качестве ТМЗИ осколков деления ядер от изотопного источника Cf-252 трудно получать потоки нанокластеров большой интенсивности, а использование высокоактивного изотопа Cf-252 (период полураспада 2,64 года) требует наличия специальных помещений и создания системы защиты от сопутствующих нейтронного и гамма-излучений.

Задачей изобретения является упрощение и удешевление получения пучков металлических нанокластеров методом облучения ионами нанодисперсных мишеней.

Для решения поставленной задачи было проведено исследование возможности десорбции нанокластеров при бомбардировке мишеней тяжелыми ускоренными ионами в режиме упругого торможения ионов в веществе мишени. В этом случае можно использовать более простые, компактные и дешевые установки - источники пучков ионов с энергией на 3 порядка меньшей по сравнению с используемой в прототипе и отказаться от использования радиоактивных изотопов и ускорителей.

До сих пор считалось, что в результате упругих соударений налетающих ионов с атомами мишени образуются каскады смещенных атомов, следствием развития которых является поатомное распыление вещества. Причем для тяжелых ионов с энергией в десятки кэВ коэффициенты распыления (число атомов, выбитых в расчете на один падающий ион) составляют десятки ат./ион, выход димеров существенно ниже, а кластеры с большим числом атомов не наблюдаются совсем [9. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Т.1. /Под ред. Р.Бериша. М.: Мир, 1984]. Однако в этих экспериментах проводилось облучение массивных материалов, в том числе золота, а работ по взаимодействию с металлами в нанодисперсном состоянии (ансамбли зерен-наноостровков на подложках) в упругом режиме торможения не проводилось.

Поэтому провели облучение нанодисперсных мишеней из золота с измеренными размерными распределениями зерен золота в диапазоне 2-30 нм атомарными ионами Au с энергией ˜38 кэВ. Удельные потери ионов Au с такой энергией в золоте на упругие столкновения составляют (dE/dx)n ˜6 кэВ/нм, а на неупругие - (dE/dx)e ˜0.4 кэВ/нм, т.е торможение ионов происходило практически чисто в упругом режиме. Проективный пробег этих ионов в золоте составляет ˜6 нм. При постановке эксперимента очень важно было не только обнаружить десорбцию металлических нанокластеров, но и измерить абсолютное значение выхода нанокластеров на один падающий ион, т.к. это определяет практическое использование нового метода.

Схема получения нанокластеров путем облучения нанодисперсной мишени ионами Au с энергией 38 кэВ приведена на фиг.1. Облучали три нанодисперсных мишени золота, приготовленные путем осаждения вещества на подложки из нержавеющей стали, предварительно покрытые углеродной пленкой толщиной 15-20 нм термоиспарением навесок золота в вакууме. Термораспыленное золото одновременно осаждалось на коллекторы, представляющие собой электронно-микроскопические сеточки-свидетели, покрытые также углеродной пленкой толщиной 15-20 нм, которые затем фотографировали в просвечивающем электронном микроскопе, и по полученным микрофотографиям получали размерные распределения осажденных зерен-островков. Различные средние размеры распределений были получены варьированием величины навески золота, скорости испарения и температуры подложки. Мишени облучали ионами Au под углом 45° к поверхности, а сбор эжектированного золота производили коллекторы, представляющие собой Т-образные мозаики из ПЭМ-сеточек, расположенные напротив облучаемой мишени. Последние служили как для непосредственной регистрации десорбированных нанокластеров золота, так и для определения их углового распределения, которое необходимо знать для вычисления абсолютных выходов нанокластеров. Источник ионов Au, на котором проводили облучение, описан в [10. М.Benguerba, A.Brunelle, S.Della-Negra, J.Depauw, H.Jopet, Y. Le Beyec, M.G.Blain, E.A.Schweikert, G.Ben Assayag and P.Sudraud. Impact of slow gold clusters on various solids: nonlinear effects in secondary ion emission. Nucl. Instr. & Meth. in Phys.Res. B62 (1991) 8-22].

На фиг.2 представлены размерные распределения зерен-островков золота на подложках и нанокластеров золота, десорбированных ионами Au с энергией 38 кэВ. Для мишени №1 средний размер зерен-островков <d>остр=7.1±5.0 нм, а средний размер десорбированных нанокластеров <d>нкл=5.0±2.6 нм. Для мишени №2 <d>остр=9.4±5.6 нм, <d>нкл=6.8±3.0 нм, а для мишени №3 <d>остр=17.5±9.6 нм, <d>нкл=4,8±2.5 нм, причем в распределении для мишени №2 отмечены нанокластеры с размерами до 20 нм.

Приведенные результаты показывают, что десорбция целых нанокластеров золота наблюдается для всех трех мишеней. При этом абсолютный выход десорбированных нанокластеров в области размеров 4-8 нм составляет ˜0.1 нкл/ион, а диапазон размеров простирается до 20 нм.

Таким образом, экспериментально доказана возможность получения нанокластеров в размерном диапазоне по крайней мере до 20 нм путем облучения нанодисперсных мишеней ионами в режиме упругого торможения. Это позволяет использовать для получения пучков металлических нанокластеров компактные и дешевые источники ионов с энергией десятки кэВ (см., например, 11. ПТЭ №3, 1973, с.179-180, С.Я.Лебедев, С.Д.Панин. Источник металлических ионов.) и отказаться от использования изотопных радиоактивных источников.

Способ получения металлических нанокластеров в свободном состоянии, включающий нанесение вещества на подложку в нанодисперсной фазе и облучение полученной мишени ускоренными тяжелыми ионами, отличающийся тем, что облучение нанодисперсной мишени ведут ускоренными тяжелыми ионами в режиме упругого торможения ионов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике формирования ионных пучков с широкой апертурой пучка ионов, а именно к источникам ионов на основе основного и вспомогательного разрядов.

Изобретение относится к оптике заряженных частиц и может быть использовано в энерго- и масс-анализе. .

Изобретение относится к области аналитической химии, к анализу чистых веществ, и может быть использовано в масс-спектрометрии тлеющего разряда при элементном анализе твердых веществ, газов и жидкостей с высокой чувствительностью.

Изобретение относится к ионно-плазменной технике, в частности к источникам ионов с замкнутым дрейфом электронов, которые могут быть использованы при конструировании источников, формирующих ленточные пучки ионов инертных и химически активных газов.

Изобретение относится к технике получения низкотемпературной плазмы в больших вакуумных объемах. .

Изобретение относится к клапанам и предназначено преимущественно для быстрого и точного регулирования газовой среды накопительных камер инжекторов холодной плазмы, в реакторах для синтеза легких ядер, при давлении газа на входе клапана не более 10 мм ртутного столба.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для формирования высокоэнергетичных пучков многозарядных ионов различных элементов в установках для ионной имплантации, а также в качестве инжекторов ускорителей тяжелых ионов.

Изобретение относится к технике генерации пучков отрицательных ионов и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, системах нагрева плазмы и других устройствах

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к источникам получения пучка ионов, и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для модификации поверхностей изделий и для нанесения на них тонких пленок SiC, AIN, твердых растворов на их основе и т.д

Изобретение относится к технике получения электронных и ионных пучков и может быть использовано в электронных и ионных источниках, генерирующих пучки с большим поперечным сечением

Изобретение относится к физике взаимодействия ионов с поверхностью вещества

Изобретение относится к области приборостроения. Технический результат - увеличение светосилы ионного источника тлеющего разряда за счет уменьшения диффузионных потерь ионов в разрядной камере. Источник тлеющего разряда содержит размещенные с зазором и соосно цилиндрические полый анод, имеющий профилированную донную часть, и полый катод, размещенный в полости анода со стороны его открытого торца, совместно образующие разрядную камеру. Выходом камеры является осевое отверстие для вытягивания ионов и откачки, образованное в донной части полого анода. Профиль донной части анода выполнен с возможностью одновременной самофокусировки электронного потока из полого катода в зону осевого отверстия разрядной камеры и формирования параболического электрического поля на выходе из камеры, при этом донная часть анода, обращенная внутрь камеры, имеет форму выпуклого конуса, а обращенная наружу - поверхность вогнутой сферической формы. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области плазменных двигателей. Устройство содержит, по меньшей мере: один главный кольцевой канал (21) ионизации и ускорения, при этом кольцевой канал (21) имеет открытый конец, анод (26), находящийся внутри канала (21), катод (30), находящийся снаружи канала на его выходе, магнитную цепь (4) для создания магнитного поля в части кольцевого канала (21). Магнитная цепь содержит, по меньшей мере, кольцевую внутреннюю стенку (22), кольцевую наружную стенку (23) и дно (8), соединяющее внутреннюю (22) и наружную (23) стенки и образующее выходную часть магнитной цепи (4), при этом магнитная цепь (4) выполнена с возможностью создания на выходе кольцевого канала (21) магнитного поля, не зависящего от азимута. Технический результат - повышение вероятности ионизирующих столкновений между электронами и атомами инертного газа. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области плазменной техники. Технический результат - повышение стабильности плазменного потока и устойчивости протекания тока в межэлектродном промежутке, что обеспечивает существенное уменьшение времени коммутации и увеличение амплитуды разрядного тока. Электродная система устройства для стабилизации катодного плазменного потока включает соосные катод, анод и управляющий электрод, в межэлектродный промежуток введен дополнительный изолированный электрод, представляющий собой полый металлический цилиндр, содержащий щель вдоль одной из образующих по всей длине цилиндра и соосный с электродной системой, причем диаметр цилиндра составляет 3-8 диаметров катода, а длина составляет 0.6-0.8 длины межэлектродного промежутка. 2 ил.

Изобретение относится к источнику отрицательно заряженных ионов. Заявленный источник ионов содержит плазменную камеру, микроволновой источник, устройство преобразования в отрицательно заряженные ионы, магнитный фильтр и приспособление для формирования пучка. Плазменная камера содержит газ, предназначенный для ионизации. Микроволновой источник посылает микроволны в плазменную камеру для ионизации газа с получением изотопов, включая высокотемпературные нейтральные атомы. Устройство преобразования в источник отрицательно заряженных ионов преобразует высокотемпературные нейтральные атомы в отрицательно заряженные ионы. Магнитный фильтр уменьшает температуру электронов между плазменной камерой и устройством преобразования в источник отрицательно заряженных ионов. Приспособление для формирования пучка извлекает отрицательно заряженные ионы. Техническим результатом является повышение надежности источника ионов и увеличение его срока службы. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 26 ил.

Изобретение относится к области создания ионных источников, предназначенных для работы инжекторов быстрых атомов водорода в стационарном режиме (атомные пучки большой мощности - до 2 мегаватт), которые могут использоваться для нагрева плазмы в магнитных ловушках. Технический результат - повышение надежности стационарной работы ионного источника при длительной эксплуатации в условиях неизбежного наличия ударных нагрузок. Устройство для стационарной генерации ионного пучка содержит корпус со съемным верхним фланцем, оборудованным высоковольтным вводом для подвода электропитания и охлаждения, с расположенными в нем газоразрядной камерой, электродами ионно-оптической системы и изоляторами. Устройство содержит опорную платформу, закрепленную на верхнем фланце, с закрепленными на ней вертикальными опорными изоляторами, на которую установлена газоразрядная камера, и юстировочное устройство, с закрепленными на нем заземленным и промежуточным электродами ионно-оптической системы. 1 ил.
Наверх