Способ получения наночастиц и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам получения частиц нанометрового размера для создания сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов и высокоселективных твердотельных катализаторов. Осуществляют диспергирование расплавленного материала. Образовавшиеся жидкие микрокапли этого материала подают в поток электронов для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, с получением наночастиц, наносимых на подложку. При этом параметры потока электронов и время нахождения жидких капель в нем удовлетворяют определенным соотношениям. Предложенное устройство содержит размещенные в вакуумной камере и установленные соосно узел формирования потока микрокапель с катодом и анодом, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц с дисковым катодом с центральным отверстием, анодом и подложкой, установленной на аноде. При этом узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель, вокруг которого установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения. Дополнительно узел формирования потока микрокапель содержит диэлектрический диск с центральным отверстием, в кольцевом пазе которого установлен кольцевой катод, а анод выполнен в виде металлической иглы, являющейся первым анодом. А узел дозарядки микрокапель содержит диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов. Обеспечивается формирование наноструктуры из наночастиц меньшего размера и с более узкой дисперсией. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам получения частиц нанометрового размера, которые находят применение в различных отраслях науки и техники, в частности, металлические наноструктуры рассматриваются в качестве перспективного материала для создания новых сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов, а также при разработке новых типов высокоселективных твердотельных катализаторов.

Наноструктуры, имеющие поверхностную плотность частиц порядка 1012 см-2, перспективны для создания эффективных приборов наноэлектроники, таких как сверхбыстрые переключатели или сверхкомпактные ячейки памяти (К.-H.Yoo, J.W.Park, J.Kirn, K.S.Park, J.J.Lee and J.B.Choi. Appt. Phys. Lett., 1999, v.74 (14), p.2073).

Так, при формировании плотноупакованных наноструктур с размером гранул ~ 4 нм возможно создание устройств памяти с плотностью записи информации ~ 1011 бит/см2 (F.Pikus and Likharev. Appl. Phys. Lett., 1997, v.71, p.3661; Y.Naveh and Likharev. Superlattices and Microstructures 2000, v.27, p.1). В предельном варианте уменьшение размера гранул до величины ~ 1 нм приводит к возрастанию плотности записи информации до 1012 бит/см2.

Также интенсивно развивается новое направление в каталитической химии - гетерогенный катализ на наноструктурированных материалах (П.С.Воронцов, Е.И.Григорьев, С.А.Завьялов, Л.М.Завьялова, Т.Н.Ростовщикова, О.В.Загорская. Хим. Физика, 2002, т.21, стр.1). Большинство исследуемых в лабораториях и применяемых в технологии катализаторов содержат наночастицы, т.е. частицы, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нм. Фундаментальное отличие наночастиц от объемных материалов заключается в том, что в них доля поверхностных атомов соизмерима с числом атомов в объеме, а радиус кривизны поверхности сопоставим с постоянной решетки. Общепринято, что именно эти особенности обеспечивают высокую каталитическую активность наноструктурированных катализаторов по сравнению с их аналогами на основе объемных материалов. Для целого ряда важных практических применений наиболее перспективными являются катализаторы на основе металлических наноструктур, содержащие наночастицы Cu, Pt, Pd, Ni, Fe, Co и других металлов.

Известные способы и устройства для получения наночастиц различных материалов можно разделить на две большие группы: в первой наночастицы образуются в результате объединения атомов (или более сложных радикалов и молекул), во второй - в результате диспергирования объемных материалов.

Известны многочисленные способы и устройства, основанные на объединении атомов (радикалов, молекул) в наночастицы, включая, например, термическое испарение и конденсацию (см. S.Tohno, M.ltoh, S.Aono, H.Takano, J. Colloid Interface Sci. - 1996, v.180, p.574), ионное распыление (см. патент US №5879827, МПК Н01М 04/36, опубликован 09.03.1999), восстановление из растворов (см. патент US №6090858; МПК С09K 03/00, опубликован 18.07.2000), восстановление в микроэмульсиях (см. H.Herrig, R.Hempelmann, Mater. Lett. - 1996, v.27, p.287).

Известен способ получения наночастиц платиновых металлов с железом, в частности наночастиц Fe-Pt, Fe-Pd (см. заявка RU №2007106183, МПК B22F 9/14, опубликована 27.08.2008), в котором для получения частиц определенного состава и размера используют сплав железа и платиновых металлов. Сплав электрохимически растворяют при значении анодного потенциала ниже потенциала растворения микроучастков платиновых металлов в кристаллической решетке сплава и получают наночастицы в виде нерастворенного осадка - анодного шлама.

Следует отметить, что получаемые наночастицы имеют кристаллическую структуру и также коагулируют при соприкосновении, что ограничивает возможности применения изготавливаемых структур.

Известно устройство для получения микрочастиц (см. патент US №7252814, МПК С01В 17/20, опубликован 07.08.2007), содержащее реакционную камеру с входным патрубком для подачи реагента и выходным патрубком для выхода получаемых кристаллических наночастиц. В камере размещен нагреватель для создания градиента температуры вдоль реакционной камеры, а также источник оптического излучения, создающий градиент интенсивности излучения вдоль реакционной камеры.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют кристаллическую структуру и также коагулируют при соприкосновении.

Известен способ получения микроволокон из алмазных наночастиц (см патент RU №2244680, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, опубликован 20.01.2005), по которому навеску ультрадисперсных алмазов со средним размером частиц 4 нм загружают в пресс-форму, прессуют в таблетку. Спрессованную таблетку используют в качестве мишени, которую помещают в вакуумную камеру. После вакуумирования камеры вводят буферный газ. Мишень охлаждают до -100°С и выдерживают до увеличения массы в 2,0-4,0 раза от начальной массы. На электроды вакуумной камеры подают постоянное напряжение. Мишень облучают импульсным лазерным излучением с мощностью, вызывающей нагрев частиц наноалмаза не более чем до 900°С. Распыляемый материал мишени образует микроволокна между электродами. Для уменьшения хрупкости микроволокон в камеру сразу после воздействия лазерного излучения подают пары полимера неионогенного типа, например поливинилового спирта, поливинилбутираля, полиакриламида, до давления 10-2-10-4 атм. Полученные микроволокна имеют алмазную структуру, стабильны после хранения в течение месяца, доля неалмазной фазы не превышает 6,22%.

Однако данный способ не предназначен для формирования металлических наночастиц, что существенно ограничивает возможности его применения.

Известно устройство для получения микроволокон из алмазных наночастиц (см патент RU №2244680, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, опубликован 20.01.2005), содержащее импульсный He-Ne лазер, вакуумную камеру, заполненную буферным газом до давления 0,5 атм и снабженную оптическими окнами для ввода лазерного луча и наблюдения за ростом нитей с помощью внешнего оптического микроскопа. В камере смонтирована мишень на держателе, снабженном системой охлаждения до криогенных температур. Ось лазерного луча была перпендикулярна поверхности мишени. На расстоянии от мишени в камере расположено два металлических электрода по обе стороны оси лазерного луча и параллельно ему для создания электрического поля напряженностью 100-1000 В/см. После вакуумирования камеры в нее напускали углекислый газ до давления 0,5 атм.

Известное устройство имеет ограниченную область применения.

Известен способ получения стеклянных наночастиц (см. заявка РСТ WO2008118536, МПК С03В 23/04, опубликована 02.10.2008), в котором стеклянная мишень облучается импульсно периодическим лазером с короткой длиной импульса в газе при атмосферном давлении или в жидкостной ячейке. Наночастицы, образовавшиеся в процессе лазерной абляции, осаждаются на подложку.

Потенциальная привлекательность сформированных наноструктур определяется их повышенной эмиссионной способностью, однако широкая дисперсия размеров получаемых наночастиц и отсутствие возможности производства металлических наночастиц обуславливают узкий спектр возможных применений метода.

Известно устройство для получения стеклянных наночастиц (см. заявка РСТ WO 2008118536, МПК С03В 23/04, опубликована 02.10.2008), содержащее импульсный лазер, стеклянную мишень и подложку, на которую осаждаются получаемые наночастицы.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют широкий разброс размеров. К тому же устройство позволяет получать частицы из ограниченного числа материалов.

Известен способ получения наночастиц (см. патент RU №2242532, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 20.12.2004), включающий диспергирование расплавленного материала, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, образованную в инертном газе при давлении 10-1-10-4 Па, охлаждение в инертном газе образовавшихся в плазме жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на носитель, при этом параметры плазмы удовлетворяют определенным соотношениям. Диспергирование расплавленного материала и подачу полученных жидких капель в плазму осуществляют лазерной абляцией мишени или приложением электрического поля к острийному катоду из проводящего материала. Радиус кривизны острия выбирается не более 10 мкм, а напряженность электрического поля на вершине острия не менее 107 В/см.

Структуры, фабрикуемые известным способом, характеризуются уникальными электрическими, магнитными и каталитическими свойствами. Однако невысокая производительность способа и высокая стоимость используемого оборудования существенно ограничивают возможности промышленного применения метода.

Известно устройство для получения наночастиц (см. патент RU №2242532, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 20.12.2004), включающий заполненную инертным газом камеру, в которой размещены острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки.

При подаче соответствующей разности потенциалов между острийным катодом и анодом с поверхности катода вылетают расплавленные капли, которые, пролетая через область плазмы, делятся, образуя наночастицы и более крупные, чем наночастицы, капли.

Известен способ получения наночастиц (см. патент RU №2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 27.11.2005), в соответствии с которым диспергируют материал путем приложения к острийному катоду из проводящего материала с радиусом кривизны острия не более 10 мкм электрического поля с напряженностью поля на вершине острия не менее 107 В/см и подают полученные жидкие капли этого материала в плазму электрического разряда с длительностью импульса не менее 10 мкс. Плазму создают в инертном газе при давлении 10-3-10-1 Па между электродами при разности потенциалов не менее 2 кВ и одновременно воздействуют магнитным полем напряженностью не менее 600 Гс, нормальным к упомянутому электрическому полю, создающему плазму. Далее охлаждают в инертном газе образовавшиеся в плазме жидкие наночастицы до затвердевания и наносят полученные твердые наночастицы на носитель. Параметры плазмы удовлетворяют заданным соотношениям.

Преимущества этого способа по сравнению со способом, в котором капли заряжаются в плазме лазерного факела, состоит в существенном увеличении производительности метода и снижении стоимости используемого оборудования. В то же время для осуществления эффективного преобразования исходного материала в наноструктурированное состояние необходимо осуществлять согласования вакуумных условий в камере формирования плазмы и в источнике капель. По этой причине не все способы диспергирования исходного материала могут быть использованы, что накладывает ограничения на выбор исходных материалов. Например, возникают трудности при работе с тугоплавкими металлами, для которых наиболее привлекательным является использование метода электрогидродинамическго распыления, требующего создания в камере высокого вакуума.

Известна установка для получения наночастиц (см. патент RU №2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 27.11.2005), которая включает вакуумную камеру, в которой размещены: острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки, а также блок, создающий магнитное поле. Камера заполнена инертным газом при давлении 10-3-10-1 Па.

Известная установка не позволяет распылять тугоплавкие материалы, требуется согласование вакуумных условий в камере формирования плазмы и в источнике капель.

Известен способ получения наночастиц, совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. М.В.Горохов, В.М.Кожевин, С.А.Гуревич, Д.А.Явсин, ЖТФ 2008, том 78, вып. 9, стр.46). Способ-прототип включает диспергирование расплавленного материала с помощью электрогидродинамического источника с электронно-лучевым плавлением поверхности острия металлического анода, подачу полученных жидких капель этого материала в электронное облако, охлаждение в инертном газе образовавшихся при прохождении электронного облака жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на подложку. Были обнаружены режимы, в которых происходило формирование наночастиц размером 20-30 нм. Анализ процессов, происходящих в способе-прототипе, показал, что наночастицы формируются в результате каскадного деления исходных металлических капель микронного размера, эмитируемых с поверхности анода под действием электрического поля. Было также показано, что деление исходных капель происходит при пролете этих капель через сфокусированный у поверхности анода электронный пучок. Отсутствие наночастиц меньшего размера указывает на то, что процесс дозарядки частиц в металлической камере практически не работает.

Известно устройство для получения наночастиц, совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип (см. М.В.Горохов, В.М.Кожевин, С.А.Гуревич, Д.А.Явсин, ЖТФ 2008, том 78, вып. 9, стр.46). Устройство содержит установку для получения наночастиц (см. фиг.1), состоит из трех узлов: узла формирования потока микрокапель, узла дозарядки микрокапель и узла осаждения наночастиц. Узел формирования потока микрокапель включает металлическую иглу, являющуюся анодом, и кольцевой катод с центральным отверстием. Узел дозарядки микрокапель включает металлический заземленный корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, обеспечивающими выход потока электронов и прохождение генерируемых наночастиц. Узел осаждения наночастиц включает подложку. В корпусе установлен эмиттер электронов, который выполнен в виде вольфрамовых спиралей, подключенных к источнику тока.

В устройстве-прототипе деление исходных капель происходит при пролете этих капель через сфокусированный у поверхности анода электронный пучок, поэтому устройство позволяет получать частицы размером не менее 20-30 нм.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого способа получения наночастиц и устройства для его осуществления, которые бы позволили формировать наноструктуры из наночастиц меньшего размера и с более узкой дисперсией размеров, чем получаемые способом-прототипом.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.

В части способа поставленная задача решается тем, что способ получения наночастиц включает диспергирование расплавленного материала, подачу образовавшихся жидких микрокапель этого материала в поток электронов для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, с получением наночастиц и нанесение получаемых наночастиц на подложку. Для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем выбирают из следующих соотношений:

где: r - радиус заряжаемых жидких капель, м;

Е - средняя энергия электронов, Дж;

n - плотность потока электронов, м-3;

τ - время зарядки капель, с;

σ - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемого материала при температуре его плавления, Н/м;

е - заряд электрона, Кл;

ε0 - электрическая постоянная, Ф/м;

me - масса электрона, кг.

Диспергирование расплавленного материала можно осуществлять любым известным способом, например, с помощью электронно-лучевого плавления поверхности острия металлического анода, в котором напряженность электрического поля на вершине острия анода поддерживается на уровне не менее 107 В/см. Также можно осуществлять диспергирование расплавленного материала, используя процесс лазерной абляции мишени из любого материала, который можно перевести в жидкое состояние.

Повышение эффективности заявляемого способа по сравнению с прототипом достигается увеличением энергии электронов при одновременном выполнении условия достаточной плотности потока электронов и времени нахождения в нем заряжаемых жидких капель для обеспечения возможности заряжения капель до состояния, в котором начинается их каскадное деление.

В части устройства задача решается тем, что устройство для получения наночастиц содержит размещенные в вакуумной камере и установленные соосно узел формирования потока микрокапель с катодом и анодом, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц с дисковым катодом с центральным отверстием, анодом и подложкой, установленной на аноде. Узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель, вокруг которого установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения. Узел формирования потока микрокапель дополнительно содержит диэлектрический диск с центральным отверстием, в кольцевом пазе которого установлен кольцевой катод, а анод выполнен в виде металлической иглы, являющейся первым анодом. Узел дозарядки микрокапель содержит диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов.

В устройстве анод узла осаждения наночастиц может быть выполнен в виде диска, кольца или тора.

Узел дозарядки микрокапель может включать второй круглый цилиндрический катод и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов, установленные за первым эмиттером электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой.

Как первый, так и второй эмиттеры электронов могут быть выполнены в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.

В устройстве диэлектрический диск, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод могут иметь одинаковые радиусы отверстий.

Управляющий электрод может быть выполнен в виде кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью или в виде полого усеченного конуса.

Сущность изобретения заключается в том, что, в отличие от известного способа-прототипа, параметры потока электронов, в который осуществляется транспортировка жидких микрокапель, выбирают исходя из требования одновременного выполнения условий (1)-(2), обеспечивающих каскадное деление всех инжектируемых в поток электронов исходных жидких микрокапель материала. Выполнение этих условий позволяет воспроизводимо формировать монодисперсные структуры, состоящие из аморфных наночастиц с варьируемой, в том числе и предельно высокой, плотностью упаковки, при этом достигается эффективное преобразование исходного материала в наночастицы. При реализации заявляемого способа плотность и среднюю энергию электронов выбирают, исходя из условия (1). При выводе условия (1), предполагающего заряжение исходных микрокапель до порога капиллярной неустойчивости Рэлея (А.И.Григорьев, С.О.Ширяева, ЖТФ, 1991 т.61, вып.3, стр.19), заряд микрокапель вычислялся с использованием зависимости потенциала микрокапель, находящихся в электронном облаке, от средней энергии электронов с учетом процесса автоэлектронной эмиссии с поверхности микрокапли (см. Элинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М.: Физматгиз, 1958).

Важно также, что выражение (1) справедливо только в случае, когда исходные жидкие микрокапли находятся в потоке электронов в течение достаточно длительного времени, за которое достигается их стационарное зарядовое состояние. Стационарное состояние достигается, если выполняется условие (2), которое означает, что время пролета микрокапель через объем, занимаемый потоком электронов, больше времени их зарядки до плавающего потенциала. Если условие (2) не выполнено, то исходные микрокапли не успеют зарядиться за время нахождения в потоке электронов, и их деление не произойдет. Таким образом, требование совместного выполнения условий (1) и (2) является существенным отличием от способа-прототипа, которое обеспечивает вовлечение в процесс деления всех исходных микрокапель материала, подаваемых в поток электронов.

Заявляемый способ получения наночастиц иллюстрируется чертежом, где:

на фиг.1 изображена схема установки, реализующая заявляемый способ получения наночастиц, с одним эмиттером электронов;

на фиг.2 показана схема установки с двумя эмиттерами электронов;

на фиг.3 изображена схема эмиттера электронов.

Устройство для получения наночастиц (см. фиг.1) состоит из трех узлов: узла 1 формирования потока микрокапель, узла 2 дозарядки микрокапель и узла 3 осаждения наночастиц. Узел 1 формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла 2 дозарядки микрокапель. Сборка узлов 1, 2, 3 помещается в вакуумную камеру (на чертеже не показана), давление в которой не превышает 10-3 Па. Узел 1 формирования потока микрокапель состоит из металлической иглы 4, являющейся анодом, и кольцевого катода 5, вставленного в кольцевой паз диэлектрического диска 6 с центральным отверстием 7. Узел 2 дозарядки микрокапель представляет собой диэлектрический корпус 8 в виде полого круглого цилиндра, в который вставлен первый полый круглый цилиндрический катод 9, а также первый эмиттер 10 электронов и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка 11, являющаяся вторым анодом. Внутренний радиус полого круглого цилиндрического катода 9 больше радиуса сетки 11, эмиттер 10 расположен между катодом 9 и металлической сеткой 11. В торцах диэлектрического корпуса 8 имеются центральные отверстия 12. Узел 3 осаждения наночастиц состоит из дискового катода 13 с центральным отверстием 14, третьего анода 15 в виде, например, диска и подложки 16, установленной на третьем аноде 15. Радиусы отверстий 7, 12, 14, соответственно диэлектрического диска 6, диэлектрического корпуса 8 и дискового катода 13 предпочтительно выполняют одинаковыми и равными R, длина кожуха равна L. Узлы 1, 2, 3 собирают соосно. Вокруг зазора между узлом 1 формирования потока микрокапель и узлом 2 дозарядки микрокапель установлен управляющий электрод 17, подключенный к регулируемому источнику 18 напряжения. Управляющий электрод 17 может иметь форму кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью. Управляющий электрод 17 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса, обращенного большим основанием к металлической игле 4. Металлическая игла 4, сетка 11 и третий анод 15 подключены соответственно к первому источнику напряжения 19, ко второму источнику напряжения 20 и к третьему источнику напряжения 21. Первый эмиттер 10 электронов выполнен (см. фиг.3) в виде фольфрамовой нити 22, в виде спирали из фольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику 23 тока. Узел 2 дозарядки микрокапель может включать (см. фиг.2) второй круглый цилиндрический катод 24 и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку 25, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер 26 электронов, размещенные за первым эмиттером 10 электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой 27. Вторая металлическая сетка 25 подключена к четвертому источнику напряжения 28. Добавление второго цилиндрического катода 24, второй цилиндрической сетки 25 и второго эмиттера электронов 26 предназначено для осуществления контроля точки пространства, в которой происходит деление капель. Перемещение этой точки в область отверстия 14 приводит к повышению воспроизводимости и производительности процесса. С целью отделения получаемых наночастиц от более крупных остатков недоделившихся микрокапель третий анод 15 может быть выполнен в виде кольца или тора. Такое выполнение третьего анода 15 позволяет уменьшить дисперсию размеров наночастиц в формируемых структурах.

Заявляемый способ получения наночастиц осуществляют следующим образом. Расплавленный материал, из которого необходимо получить наночастицы, в узле 1 формирования потока микрокапель диспергируют любым известным способом (например, с помощью электрогидродинамического распыления). Полученные жидкие микрокапли этого материала заряжают в узле 2 дозарядки микрокапель потоком высокоэнергетичных электронов до предела, при котором микрокапли начинают делиться. Образовавшиеся при делении микрокапель наночастицы осаждают на подложку 16, в качестве которой может быть применен любой твердый материал. Как установили авторы, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем должны удовлетворять соотношениям:

В случае применения способа электрогидродинамического распыления острийного анода разность потенциалов между металлической иглой 4 и кольцевом катодом 5 в узле 1 формирования потока микрокапель U0, должна удовлетворять соотношению

где rc - внешний радиус дискового катода 5, м;

ra - радиус металлической иглы 4, м;

L0 - расстояние от конца металлической иглы 4 до плоскости дискового катода 5, м.

Разность потенциалов U между цилиндрическим катодом 9 и цилиндрической металлической сеткой 11 в узле 2 дозарядки микрокапель выбирается в соответствии с требованием формулы (1) заявляемого способа и должна удовлетворять соотношению

ток эмиссии электронов в узле 2 дозарядки микрокапель I, А, выбирается в соответствии с требованием формулы (2) заявляемого способа и должен удовлетворять соотношению

Разность U1 потенциалов между дисковым катодом 13 и кольцевым анодом 15 в узле 3 осаждения наночастиц должна удовлетворять соотношению

где L1 - расстояние от плоскости дискового катода 13 до плоскости кольцевого фокусирующего анода 15, м;

4·104 - коэффициент пропорциональности, В/м.

Разность потенциалов между дисковым катодом 5 и регулирующим кольцевым анодом 17 подбирается таким образом, чтобы ток, протекающий через металлическую иглу 4, удовлетворял соотношению

где χ - теплопроводность материала, Вт/(м·K)

Tm - температура плавления проводящего материала, K;

4,5·10-8 - коэффициент пропорциональности, Вт/(м2·K4).

При добавлении второго цилиндрического катода 24, второй цилиндрической сетки 25 и второго эмиттера электронов 26 разность потенциалов U между цилиндрическим катодом 9 и цилиндрической металлической сеткой 11 уменьшается до величины

а разность потенциалов U2 между вторым цилиндрическим катодом 24 и второй цилиндрической металлической сеткой 25 выбирается равной

Пример. Была осуществлена реализация способа получения наночастиц меди из микрокапель, заряжаемых потоком высокоэнергетичных электронов. В этом случае микрокапли создавались методом электрогидродинамическго распыления медного острийного катода толщиной 300 мкм. Электронный поток создавался в камере дозарядки микрокапель при ускорении электронов, эмитируемых набором вольфрамовых спиралей в зазор между сплошным цилиндрическим катодом и цилиндрическим анодом - сеткой, разность потенциалов между которыми составляла 1,2 кВ, что обеспечивало выполнение условия (1). Полученные наночастицы наносились на поверхность подложки, расположенной на выходе из камеры дозарядки микрочастиц. Радиус отверстий дискового катода и диэлектрического кожуха камеры дозарядки R=0,5 см, а длина диэлектрического кожуха L=10 см. При этих размерах диэлектрического кожуха выполнение условия (2) определяется выбором тока эмиссии с поверхности вольфрамовых спиралей, который выбирался равным I≈2 А.

При описанных выше параметрах процесса на подложке из окисленного кремния были получены наночастицы меди размером 5 нм. Отметим, что при отключении ускоряющего потенциала в камере дозарядки размер наночастиц, осаждаемых на подложке, был не менее 20-30 нм.

1. Способ получения наночастиц, включающий диспергирование расплавленного материала, подачу образовавшихся жидких микрокапель этого материала в поток электронов для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, с получением наночастиц и нанесение получаемых наночастиц на подложку, отличающийся тем, что для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем выбирают из следующих соотношений:
;
;
где r - радиус заряжаемых жидких капель, м,
Е - средняя энергия электронов, Дж,
n - плотность потока электронов, м-3,
τ - время зарядки капель, с,
σ - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемого материала при температуре его плавления, Н/м,
е - заряд электрона, Кл,
ε0 - электрическая постоянная Ф/м,
me - масса электрона, кг.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный материал для диспергирования получают электронно-лучевым плавлением поверхности острия металлического анода при напряженности электрического поля на вершине острия анода, поддерживаемой на уровне не менее 107 В/см.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный материал для диспергирования получают лазерной абляцией мишени из материала, переводимого в жидкое состояние.

4. Устройство для получения наночастиц, содержащее размещенные в вакуумной камере и установленные соосно узел формирования потока микрокапель с катодом и анодом, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц с дисковым катодом с центральным отверстием, анодом и подложкой, установленной на аноде, отличающееся тем, что узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель, вокруг которого установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения, при этом узел формирования потока микрокапель дополнительно содержит диэлектрический диск с центральным отверстием, в кольцевом пазе которого установлен кольцевой катод, а анод выполнен в виде металлической иглы, являющейся первым анодом, узел дозарядки микрокапель содержит диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде диска.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде кольца.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде тора.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что первый эмиттер электронов выполнен в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности, и подключен к источнику тока.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узел дозарядки микрокапель дополнительно содержит второй круглый цилиндрический катод и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов, установленные за первым эмиттером электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что второй эмиттер электронов выполнен в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что диэлектрический диск, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод выполнены с одинаковым радиусом центральных отверстий.

12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с цилиндрической внутренней поверхностью.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с вогнутой внутренней поверхностью.

15. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде полого усеченного конуса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области дуговой сварки плавлением, в частности к способам наплавки изделий порошкообразным присадочным материалом с использованием плазменной дуги прямого действия.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам упрочнения металлических изделий с использованием неорганических порошков, и может быть использовано для увеличения срока службы изделий в любых областях промышленности.

Изобретение относится к установке для газопламенного напыления наноструктурированного покрытия и может быть использовано для упрочнения поверхностей изделий. .

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к способам для электротермического получения материала в виде изделия или покрытия и устройствам для его осуществления.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки деталей магнитопроводов магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки деталей магнитопроводов магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки деталей магнитопроводов магнитных систем электрических реактивных двигателей малой тяги.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к устройствам для получения покрытий из материалов с эффектом памяти формы на цилиндрической поверхности деталей.

Изобретение относится к конвейерным роликам и роликам пода печи непрерывного отжига, предназначенным для обработки стального листа. .

Изобретение относится к способу обработки термически нестойких материалов холодной плазменной струей и может быть использовано при гидрофилизации/гидрофобизации и повышении адгезионных свойств полимеров, текстиля, бумаги и других материалов.
Изобретение относится к способам получения полимерных нанокомпозитов, а именно металлосодержащих нанокомпозитов, и может быть использовано при изготовлении материалов с необычными физико-химическими, электрофизическими, фотофизическими, магнитными, каталитическими и сенсорными свойствами для различных отраслей промышленности.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению жаропрочного наноструктурированного конструкционного материала методом гранульной металлургии.
Изобретение относится к области катализаторов, предназначенных для гидрирования триглицеридов растительных масел и жиров, и может использоваться в пищевой, парфюмерной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов. .

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных наномашин и приемо-передающих наноустройств.

Изобретение относится к области физических измерений. .
Изобретение относится к области синтеза неорганических материалов, в частности к получению наночастиц фторидов, преимущественно редкоземельных и щелочноземельных металлов, которые могут быть использованы в качестве материалов для фотоники, как каталитически активные фазы или реагенты для неорганических синтезов.

Изобретение относится к оптике, технологиям обработки оптических материалов и нанотехнологиям. .
Изобретение относится к технологии получения фильтрующих элементов для баромембранных процессов, используемых в различных отраслях промышленности: нефтехимической, фармацевтической, пищевой и других.

Изобретение относится к области мембранных технологий и может быть использовано для производства микро- и нанофлюидных фильтров, биосенсорных устройств, приборов медицинской диагностики, а также при изготовлении элементов электронно-оптических преобразователей и рентгеновской оптики.

Изобретение относится к плазмохимическому синтезу с применением плазмотрона трансформаторного типа для получения высококачественных нанопорошков широкого ряда веществ.

Изобретение относится к способам и устройствам получения частиц нанометрового размера для создания сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов и высокоселективных твердотельных катализаторов

Наверх