Способ получения эндоэдральных наноструктур на основе каналирования имплантируемых ионов



Способ получения эндоэдральных наноструктур на основе каналирования имплантируемых ионов
Способ получения эндоэдральных наноструктур на основе каналирования имплантируемых ионов
Способ получения эндоэдральных наноструктур на основе каналирования имплантируемых ионов
Способ получения эндоэдральных наноструктур на основе каналирования имплантируемых ионов

 


Владельцы патента RU 2607403:

Горюнов Юрий Владимирович (RU)

Изобретение относится к нанотехнологии. Способ получения эндоэдральных наноструктур включает внедрение ускоренных ионов, например ионов металла, в полиэдральные наноструктуры, например в молекулы фуллерена. Относительное положение полиэдральной наноструктуры и налетающего имплантируемого иона фиксируют наноканалами трековой мембраны, являющейся имплантирующей, в которых происходит столкновение. Наноканалы выполняют двояко-конической формы с внутренним сужением для затруднения перехода молекулы полиэдральной наноструктуры с одной стороны мембраны на другую, фокусировки движущегося иона к центру наноканала и обеспечения выхода из него молекулы полиэдральной наноструктуры после имплантации иона. Часть двоякоконического наноканала и поверхность трековой мембраны между наноканалами со стороны подачи молекул полиэдральных наноструктур выполняют проводящими для обеспечения ускоряющего и фокусирующего потенциала, поданного на молекулы полиэдральной наноструктуры, находящиеся в наноканале. Для формирования структуры ионного потока используют вторую трековую мембрану - мембрану ионного источника, изготовленную в едином процессе с первой, и повторяющую структуру расположения наноканалов первой имплантирующей мембраны. Между указанными трековыми мембранами подают постоянное регулируемое напряжение. Объемы реактора с потоками подаваемых полиэдральных наноструктур, ионов, а также полученных эндоэдральных наноструктур, разделяют имплантирующей мембраной и поддерживают в этих объемах температуры, обеспечивающие подвод и требуемые агрегатные состояния материалов, участвующих в процессе имплантации, а также отвод продуктов из зоны имплантации. При получении эндоэдральных структур в растворе используют полярный растворитель, в котором молекулы полиэдральных наноструктур приобретают отрицательный заряд, а имплантируемые ионы приобретают положительный заряд. Увеличивается выход эндоэдральных наноструктур. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области применения нанотехнологии при получении специфических соединений и молекулярных наноструктур.

Классы изобретения

В82В 1/00 Наноструктуры, полученные манипулированием отдельными атомами или молекулами, или ограниченным набором атомов или молекул, как дискретными объектами.

В82В 3/00 Производство или обработка нано-структур путем манипулирования отдельными атомами или молекулами, или ограниченным набором атомов или молекул, как дискретными объектами.

Уровень техники

С момента открытия фуллеренов (см. фигуру 1, А) в 1985 г. [Kroto H.W., Heath J.R., O'Brien S.C., et al. Nature, 318, 162 (1985)] на данные вещества возлагаются большие надежды в самых различных областях техники, медицины, нанотехнологии. Наряду с углеродными фуллеренами, имеющими каркасную полиэдральную молекулу, открыты и изучаются аналогичные образования других элементов - кремния, бора, боронитридов, халькогенидов вольфрама и молибдена, оксиды кремния, германия олова (см. Ивановский А.Л. Неуглеродные нанотрубки, синтез и моделирование. Успехи химии, с 203 71 (2002); Сорокин П.Б. «Теоретические исследования физико-химических свойств низкоразмерных структур», разд. 1.5 и гл. 4, докт. дисс., Москва, 2014; библиографию в них). Еще более широкими сферами применения обладают эндофуллерены (см. пример на фигуре 1, Б-В). Однако расширение применения фуллеренов, эндофуллеренов (см., например, приложенную статью Л.Н. Сидорова и И.Н. Иоффе в «Соросовский обр. журнал», 7, 30 (2001)), нанотрубок и пиподов (см. например, приложенную статью Ивановского А.Л. в «Химия и жизнь», 1, 20 (2004) сдерживают трудности их получения и, соответственно, высокая стоимость. Основным методом получения эндоэдральных фуллеренов, как и самих чистых фуллеренов, является метод сжигания графитовых электродов в электрической дуге низкого давления [Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos К., Huffman D.R. Nature, V. 347, №354 (1990)]. В случае получения эндофуллеренов этот метод модифицируется, главным образом, путем использования специальной конструкции графитовых электродов, обеспечивающих поступление в зону реакции соответствующих материалов [Богданов А.А., Дайнигер Д., Дюжев Г.А. ЖТФ, 70, №5, 001 (2000); В.И. Герасимов и др., Одностадийный плазменно-дуговой синтез металло-эндофуллеренов // Журнал прикладной химии, 80, 1864-1869 (2007)]. При этом получается смесь различных модификаций углерода, различных фуллеренов и эндофуллеренов, которую потом разделяют на чистые вещества растворением в соответствующих растворителях (толуол, серный углерод) и применением жидкостной хроматографии. Способы получения различных эндоэдральных структур достаточно подробно описаны в статье [Елецкого А.В. Эндоэдральные структуры, УФН, 170, 113-142 (2000)]. В данном источнике и в указанной в нем литературе имеется информация о применении ионной имплантации или плазменной обработки при получении ряда эндофуллеренов и эндоэдральных структур. В ней, в частности, имеется указание на чрезвычайно малый выход полезного продукта в процессе его получения - на уровне 10-4 массовой доли исходного материала. [Сидоров Л.Н., Юровская М.А., Борщевский А.Я., Трушков И.В., Иоффе И.Н. Фуллерены. Изд. «Экзамен», Москва, 2005 г., 688 стр. ; Аврамов П.В., Варганов С.А., Овчинников С.Г., ФТТ, 42, №11, с. 2103-2110 (2000); Сидоров Л.Н., Иоффе И.Н. Эндоэдральные фуллерены, Соросовский образовательный журнал, 7, №8, с. 30-36 (2001)].

В работе [Weidinger A., Waiblinger, M.; Pietzak, В.; Almeida Murphy, Т., «Atomic nitrogen in С60: N@C60», Applied Physics, 66, 287 (1998)] описывается способ получения эндофуллерена с внедренным внутрь молекулы С60 атомом азота. Данный способ основывается на напылении на медную подложку слоев фуллерена и бомбардировкой этих слоев ионами азота (см. фигуру 2). После этого производится растворение напыленных слоев фуллерена и выделение из раствора эндофуллерена азота. Этот способ рассматривается нами как ближайший аналог заявляемому изобретению. Аналогично, метод имплантации применяется для получения эндофуллеренов щелочных металлов, для которых, в частности, обнаружена зависимость оптимальной энергии от размера внедряемого иона [Campbell E.B.B., et al., Chem. Phys., 239, 299 (1998)]. Таким образом, на данный момент сформировались определенные представления о процессах внедрения ионов в молекулу фуллеренов, об энергетике этих процессов, о структуре и свойствах получаемых молекул эндофуллеренов [В.К. Кольтовер «Эндофуллерены: от химической физики к базовым элементам для нанотехнологий и наномедицины» // Российский Химический Журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева), 53, №2, 79-85 (2009)]. Вместе с тем при изучении этой литературы становится очевидным, что для получения этих перспективных для нанотехнологий материалов технологии такого уровня практически не применяются.

Ближайший аналог

Из упомянутой литературы известно, что эндоэдральные фуллерены с внедренными внутрь молекулы фуллерена атомом или группой атомов (химическим комплексом) наряду с применением вакуумной электрической дуги или лазерного распыления получаются, в частности, методом имплантации требуемых ионов, производимой посредством облучения порошка фуллерена ионным пучком или обработкой в плазме. В то же время применяются способы одновременного осаждения фуллерена на подложку и обработки образующейся пленки пучком имплантируемых ионов. Данные способы близки по уровню техники к заявляемому способу. Как было указано выше, в качестве ближайшего аналога взят способ, описанный в работе Weidinger A., et al. Applied Physics, 66, 287 (1998), а также в УФН 2000. Т. 170. С. 113-142, (см. фигуру 2). В данном способе процесс получения эндофуллерна производится в вакуумной камере 6 в вакууме, обеспечивающем химическую чистоту получаемых эндофуллеренов и перенос имплантируемых ионов из источника 2 и паров фуллерена из источника 5 на подложку 3. Контроль за процессом осуществляется по ионному току и измерителю 4 толщины напыляемой пленки. Данный способ имеет несомненные преимущества перед способом имплантации ионов в порошок фуллерена, т.к. предполагает, что имплантация ионов происходит только в поверхностные молекулы фуллерена. Это требует применения ионов с низкой энергией (40-100 eV), что существенно уменьшает долю разрушенных молекул фуллерена. Однако данный способ имеет такой же существенный недостаток, как низкий выход полезного продукта и, соответственно, высокий уровень энергетических затрат. Анализ процесса имплантации иона в молекулу фуллерена приводит к выводу, что наиболее вероятной причиной низкого выхода эндофуллерена при имплантации является нестабильность условий, при которых имплантируемый атом проникает через сетку межуглеродных связей внутрь молекулы фуллерена. Эта нестабильность обусловлена как геометрическими факторами - ориентация молекулы относительно направления подлета имплантируемого иона (т.е. ион попадает в атом углерода, межатомную связь или в свободное окно) и прицельного расстояния (определяет распределение энергии и импульса между молекулой фуллерена и ионом даже при упругом соударении), так и вероятностными квантово-механическими факторами. В последнем случае с определенной вероятностью (фактор Дебая-Валера) энергия и импульс налетающего иона может быть передан как молекуле фуллерена в целом, так и отдельным ее частям и их колебательным степеням свободы. Вследствие многообразия факторов, влияющих на «чистое» вхождение имплантируемого иона внутрь молекулы фуллерена, вероятность этого вхождения для иона с определенной энергией не велика. Слегка ситуацию мог бы исправить подбор угла облучения имплантируемыми ионами при эпитаксиальном росте пленки фуллерена на подложке. В монокристаллической пленке все поверхностные молекулы фуллерена ориентированы относительно направления бомбардировки одинаково. Подбор угла даст возможность облучать в сетке межуглеродных связей молекулы фуллерена окно наибольшего проходного сечения. Однако кардинального изменения ситуации в данном способе это не принесет. Ожидается, что такая модификация способа-аналога (которая, кстати, в изученной литературе не называется) может увеличить выход полезного продукта в несколько раз, хотя это по-прежнему будет смесь различных эндофуллеренов. Устранить эти недостатки призвано заявляемое изобретение.

Сущность изобретения

Сущность изобретения состоит в осуществлении имплантации иона в молекулу фуллерена внутри наноканала определенной длины и диаметра, близкого к размеру молекулы фуллерена. При этом условия столкновения каждого иона, движущегося по центру канала, с каждой молекулой фуллерена, также находящейся вблизи центра канала, становятся в идеале одинаковыми. Одинаковость условий столкновения позволяет подобрать энергию имплантируемого иона такой, что он не отскакивает от молекулы фуллерена, но и не прошивает ее насквозь, оставаясь после соударения внутри молекулы.

При реализации способа используется одна или две мембраны с наноканалами. В случае использования двух трековых мембран вторая мембрана имеет назначение формирования структуры ионного потока и изготавливается в едином процессе вместе с основной мембраной посредством бомбардировки тяжелыми ионами с энергией, достаточной, чтобы «пробить» обе мембраны. В принципе мембраны могут быть разъединены и смещены относительно друг друга. Но в этом случае необходимо применение ионно-оптической системы, обеспечивающей фокусировку ионов, вылетающих из каналов первой мембраны (трековая мембрана 2 на фиг. 3 и 4), на входных отверстиях каналов второй мембраны (трековая мембрана 3 на фиг. 3 и 4). В настоящее время изготовление трековых мембран с достаточным количеством каналов на единицу поверхности мембран с требуемым размером и формой каналов не представляется технологически невозможным. Методы нанолитографии с применением реакционного ионного травления и теневого напыления позволяют изготовить мембраны с размером каналов менее 1 нМ. Является достаточно заурядным получение мембран для очистки воды с размером каналов 30 нМ и плотностью каналов 1010 каналов на см2. По замыслу изобретения половина двоякоконического канала и поверхность мембраны между каналами покрывается металлом, обладающим требуемыми адсорбционными свойствами. А именно, при температурах проведения процесса каналы не должны забиваться конгломератами молекул фуллерена. С точки зрения эпитаксиального роста пленок должна реализовываться послойная ростовая мода. В научной литературе имеются сведения, что на одних материалах при осаждении пленок фуллерена реализуется ростовая мода Странского-Краштанова (рост изолированных высоких островков), а на других послойная ростовая мода. Последнему критерию отвечает молибден, который в примере, представленном на фигуре 4, выбран в качестве материала покрытия трековых мембран и материала, с помощью которого производится корректировка размера каналов, на которых адсорбируются молекулы фуллерена. Следует подчеркнуть, что в научной литературе имеются очевидные указания на то, что молекула углерода располагается на поверхности кристалла молибдена не случайным образом, а примыкает к его атомам атомами углерода. В случае искривленной поверхности на входе в каналы эти места оказываются наиболее энергетически выгодными и в них должны удерживаться молекулы фуллерена тогда, когда с повышением температуры их адсорбция на ровной или выпуклой поверхности оказывается невозможной. При этом очевидно, что окно в сетке связей в молекуле фуллерена располагается напротив выхода канала. Таким образом, движущийся с другой стороны по сужающемуся каналу имплантируемый ион должен точно войти в окно между углеродными связями в молекулу фуллерена. При этом поскольку его энергия многократно превышает энергию теплового движения и адсорбционную энергию связи образовавшаяся молекула эндофуллерена должна покинуть свое «ложе» на оси канала в ее направлении. Это позволяет разделить потоки молекул фуллерена и молекул эндофуллерена в установке, аналогичной изображенной на фигуре 2 - ближайшем аналоге изобретения. В этом случае конструкция с трековыми наноканальными мембранами, представленная на фигуре 3, располагается на месте подложки 3 фигуры 2, источник ионов с ионно-оптической системой вместо положения 1, 2 на фигуре 2 занимает положение справа на оси перпендикулярной поверхности мембран. Ионизационная камера на фигуре 3 является по сути известным узлом магнетронного распыления напылительных установок, в которой на месте мишени в зависимости от агрегатного состояния имплантируемого вещества устанавливается диск из соответствующего материала, либо подается газ. При этом в целях предотвращения загрязнения каналов мембраны 2 на фиг. 3 и 4 периодически меняются режимы распыления. В случае изготовления мембраны с протяженными коническими каналами, в которых входные для имплантируемых ионов отверстия каналов перекрываются на поверхности мембраны, необходимость во второй мембране, формирующей ионный поток, практически отпадает. В этом варианте процесс будет выглядеть предельно просто. Как и в ближайшем аналоге, на трековую мембрану из диоксида кремния (или иного диэлектрического материала, обладающего отталкивающими свойствами), покрытую с напыляемой стороны молибденом (или иным материалом, обеспечивающим при заданных температурах адсорбцию молекул фуллерена в один слой) со скоростью, определяемой скоростью отвода эндофуллерена, осаждаются пары фуллерена. Избыток паров улавливается охлаждаемыми ловушками, расположенными за подложкой. Молекулы эндофуллерена, выбиваемые из каналов имплантируемыми ионами, улавливаются охлаждаемой ловушкой, расположенными в соответствующем месте вблизи испарителя фуллерена.

Представляется заманчивым использовать в качестве источника имплантируемых атомов плазменный факел, образующийся при импульсном лазерном воздействии на мишень, поскольку энергия движущихся в этом факеле частиц достаточна, чтобы проникнуть внутрь молекулы фуллерена. Однако, по всей видимости, это предложение не является оптимальным вследствие большого разброса энергий атомов в факеле и наличия в нем конденсированных конгломератов. Использование ионных пучков, энергию которых можно менять с высокой точностью, обеспечение единообразной адсорбции молекул фуллерена на каналах являются обстоятельствами, обуславливающими выбор способа получения эндофуллеренов в заявляемом изобретении. Кроме того, в рамках данной работы возможно реализовать разделение смеси фуллеренов на трековых мембранах, просвет каналов которых прецезионно откорректирован напылением нескольких атомных слоев, например молибдена, на конические стенки каналов.

Получение эндофуллеренов с применением наноканальных трековых мембран возможно выполнить в жидкой фазе с применением растворов соответствующих реагентов в полярных макромолекулярных растворителях. В книге Матысина З.А. и др., Углеродные наноматериалы и фазовые превращения в них, Днепропетровск, Наука и образование, 2007, в сборнике, Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии, 2010, т. 8, №2, с. 421-429, © 2010 ИМФ (Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины) в статье Д.В. Щур, с соавторами. Особенности влияния некоторых МОС на свойства массивных фуллеренсодержащих электроосажденных покрытий, описываются эксперименты по электрофорезу и электроосаждению фуллеренов в растворах углеводородных растворителей, в частности использовался растворитель состава толуол-этанол 5:1. Потенциалы 400-800 воды, упоминаемые в этих источниках, существенно превышают потенциалы, необходимые для имплантации. В этом случае молекулы растворителя, как и молекулы фуллерена не могут перейти с одной стороны мембраны на другую, тогда как ионы, внедряемые в молекулу фуллерена, могут это сделать под влиянием приложенного напряжения. Учитывая, что молекулы фуллеренов и металлы имеют различное сродство к электрону, то возможен подбор растворителя, в котором молекула фуллерена приобретает отрицательный заряд, а ион металла - положительный. При разделении данных растворов мембраной и приложении напряжения между растворами возможно блокирование канала мембраны отрицательным ионом фуллерена и прорыв к нему положительного иона металла и образование эндофуллерена, которое при обычном смешении дало бы экзофуллерен.

Перечень фигур, чертежей и иных материалов

Фигура 1. Примеры структур молекулы фуллерена и молекул эндофуллерена.

Фигура 2. Аналог заявляемого изобретения. Схема установки для получения эндофуллерена N@С60 посредством одновременного напыления С60 и облучения подложки ионами азота из работы Weidinger А.

Фигура 3. Принципиальная схема узла с двумя наноканальными мембранами в установке для получения эндофуллеренов по способу, заявляемому в изобретении.

Фигура 4. Схема процессов ионизации и имплантации, протекающих на наноканальных трековых мембранах.

Краткое описание чертежей

Фигура 1. Примеры структур молекулы фуллерена и молекул эндофуллерена.

A. Структура молекулы фуллерена С60. Рисунок из источника [366] в статье Елецкий А.B., Смирнов Б.М. Фуллерены и структуры углерода. - УФН, 165, №9. 977-1009 (1995) http://ru.science.wikia.com/wiki/Фуллерены.

Б, В. Структура молекул эндофуллерена M@C82 и M2@C82 (источник [88] в статье Елецкого А.В. Эндоэдральные структуры // УФН, 170, 113-142 (2000)).

Фигура 2. Аналог заявляемого изобретения. Схема установки для получения эндофуллерена N@C60 посредством одновременного напыления С60 и облучения подложки ионами азота из работы Weidinger A., et al. Applied Physics, 66, 287 (1998) (источник [43] в статье Елецкого А.В. Эндоэдральные структуры // УФН, 170, 113-142 (2000)). 1 - источник ионов азота, 2 - электростатическая линза, 3 - подложка для напыления фуллерена, 4 - устройство для контроля толщины покрытия, 5 - источник паров фуллерена, 6 - вакуумная камера, 7 - водяное охлаждение. Установка, в которой может быть реализовано заявляемое изобретение включает в себя все названные компоненты и устройства.

Фигура 3. Принципиальная схема узла с двумя наноканальными мембранами в установке для получения эндофуллеренов по способу, заявляемому в изобретении.

1 - корпус держателя мембран; 2, 3 - наноканальные мембраны со связанными трековыми каналами; 2 - мембрана ионного источника; 3 - имплантирующая мембрана; 4 - твердотельная мишень магнетрона или вместо нее мембрана для пропуска имплантируемого газа в ионизационную камеру. Данная часть узла заменяет источник ионов в установке, приведенной на фигуре 2; 5 - окна для откачки остаточных газов и ввода ионизирующих излучений.

Между трековыми мембранами подается постоянное регулируемое напряжение, такое чтобы обеспечить максимальную эффективность синтеза эндофуллерена для конкретных типов имплантируемых ионов и молекул фуллерена.

Различие потенциалов введения эндоэлектронов в различные виды фуллеренов может также дать возможность отбора определенных молекул фуллеренов из потока.

Фигура 4. Схема процессов ионизации и имплантации, протекающих на наноканальных трековых мембранах.

В данной схеме в качестве материала мембраны выбран диоксид кремния, в качестве проводящего покрытия и материала, ориентирующего молекулы фуллеренов относительно оси каналов, выбран молибден. Обозначения, мембран (2 и 3) соответствуют обозначениям таковых на фигуре 3. Мембраны с поддерживающими конструкционными элементами (например, известна конструкция - тонкий монокристалл кремния с вытравленными окнами и закрытыми утолщенным слоем диоксида кремния) собираются в корпусе (1 фиг. 3) и затем облучаются пучком тяжелых, ионов (обычно применяется ксенон) в направлении строго перпендикулярном поверхности мембран. По известной из нанолитографии технологии производится несимметричное травление каналов треков, как показано на фигуре. Несимметричность связана с тем, что со стороны подлета имплантируемых ионов требуется более точная фокусировка по центру канала, тогда как канал со стороны паров фуллерена должен обеспечивать фиксацию молекулы фуллерена на оси канала и легкость вылета из канала эндоэдральной молекулы фуллерена за счет импульса имплантируемого иона. Выбор молибдена в качестве материала, на котором сорбируются молекулы фуллерена вызван тем, что, как известно, в этом случае легко достигаются условия адсорбции фуллерена на молибдене в мономолекулярный слой. При этом молекула фуллерена примыкает к поверхности молибдена углеродными атомами. Это в указанной геометрии обеспечивает то, что просвет канала смотрит на окно в сетке связей между атомами углерода в молекуле фуллерена. При достаточно большой плотности каналов и большой величине отношения размеров их входных и выходных отверстий возможно получить достаточную эффективность использования потока имплантируемых ионов. Температура имплантирующей мембраны поддерживается такой, чтобы накапливающиеся на выходе каналов молекулы фуллерена не препятствовали отходу молекул эндофуллерна. Температура в нижней камере поддерживается такой, чтобы обеспечить парообразное состояние чистого фуллерена и конденсированное состояние эндофуллерена.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Главными объектами, в которых производится столкновение иона с молекулой фуллерена являются диэлектрические мембраны (с металлическим покрытием), имеющие сквозные каналы диаметром 15-20 ангстрем. Такие мембраны в принципе изготавливаются методами электронно-лучевой литографии, методами бомбардировки тяжелыми ионами с последующим реакционным ионным травлением. В тексте описания сущности изобретения подробно излагаются условия реализации изобретения. В частности, говорится об общеизвестности применения трековых мембран. В данных мембранах при изготовлении получаются цилиндрические каналы, так как вымываются поврежденные в области треков части облученной тяжелыми ионами пленки. Диаметр каналов согласно широко известным литературным данным составляет от 30 нМ. Применение такой пленки в качестве маски при реакционном травлении ионной пушкой диоксида кремния или чистого монокристаллического кремния (хорошо отработанная и известная в нанолитографии процедура) позволяет получить аналогичные или меньшего размера каналы цилиндрической формы. Очевидно, что обработка в обычном травящем растворе приведет к получению каналов конической формы. Размер и форму каналов можно откорректировать с помощью напыления металлического слоя из источника с широкой диаграммой направленности потока паров. Для этой стороны двоякоконического канала как раз не требуется (и даже вредна) большая протяженность канала, т.к. в нем будут застревать молекулы фуллерена. Несколько слов об ограничениях на скорость получения эндофуллерена. Принимая, что размер молекулы фуллерена 1.5 нМ, получаем, что их максимально возможная плотность составляет около 5⋅1013 молекул на см2. Максимальная плотность каналов диаметром 30 нМ составляет порядка 1011 каналов на см2. Т.е. различие составляет в несколько сотен раз. Если допустить, что доля 8 выпадающих из полезного процесса имплантируемых ионов близка к отношению площадей квадрата (часть площади мембраны, приходящаяся на один канал при их перекрытии в верхних сечениях) и входного отверстия канала, т.е. ε=πR2/4R2~0.7 и величину ионного тока Ii~0.1 А, то 1 моль эндофуллерена (~800 Г) можно получить за время t=F/(εIi)~383 часа (F=96485.3 Кл/моль - число Фарадея). Если допустить для примера, что рабочая площадь трековой мембраны составляет около 100 см2, то данный ток условно распределяется по n=1013 каналам. Это соответствует прохождению через канал Ii/(ne)=6⋅104 ионов в секунду (е=1,6⋅10-19 Кл - заряд электрона). При упругом столкновении со стенкой канала ион теряет примерно (sinα)2 часть своей энергии, где α - угол между образующей конуса и осью конического канала. Для α ~ 5 град это дает ~ 0.007. При толщине мембраны 100 нМ ион должен испытать около 2-х столкновений, прежде чем попадет в выходное отверстие канала. Т.е. при энергии иона ~ 100eV он отдает стенкам канала ~ 1.4 eV, или в расчете за 1 секунду стенки канала получают энергию ~ 8⋅104 eV, которая распределяется между ~105-106 атомами стенки канала. Это означает, что температура мембраны поднимается за 1 сек на величину порядка тысячи градусов. С одной стороны, это указывает на разумность полученных параметров, а с другой стороны, это указывает на необходимость некоторого уменьшения плотности каналов на поверхности мембраны и к более точному подходу к форме каналов, а также на необходимость применения мембраны, формирующей ионный поток, как указано фигурах 3 и 4. Очевидно, что при проведении процесса синтеза эндофуллерена в растворе требования к охлаждению мембраны снижаются.

Литература

1. Kratschmer W., Lamb L.D., Fostiropoulos K., Huffman D.R. Nature, V. 347, №354 (1990).

2. Богданов A.A., Дайнигер Д., Дюжев Г.А. ЖТФ, т. 70, №5, с. 1 (2000).

3. Weidinger A., et al. Applied Physics, 66, 287 (1998).

4. Елецкий А.В. Эндоэдральные структуры // УФН. 113-142 170 (2000).

5. В.К. Кольтовер Эндофуллерены: от химической физики к базовым элементам для нанотехнологий и наномедицины // Российский Химический Журнал (ЖРХО им. Д.И. Менделеева). - 2009. - Т. 53, N 2. - С. 79-85. - Библиогр.: с. 84-85 (76 назв.). - ISSN 0373-0247.

6. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структура углерода // УФН, 165, 977-1009 (1995).

По вопросу неуглеродных фуллеренов и наноструктур.

7. Ивановский А.Л. Неуглеродные нанотрубки, синтез и моделирование, Успехи химии, стр. 203-224 71, №3 (2002).

8. Сорокин П.Б. «Теоретические исследования физико-химических свойств низкоразмерных структур», докторская диссертация. раздел 1.5 и глава 4, Москва, 2014 г.

9. П. Харрис (© Cambridge University Press 1999) в перевод Л А. Чернозатонского, Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века, Москва: Техносфера, 2003. - 336 с. ISBN 5-94836-013-Х.

10. В.И. Соколов, И.В. Станкевич Фуллерены - новые аллотропные формы углерода: структура, электронное строение и химические свойства, Успехи химии, 455-373 62(5) 1993.

11. Станкевич В.И., Чернозатонский Л.А., Несмеянов А.Н. (Институт элементоорганических соединений РАН, Россия, Москва, 119991, Вавилова ул., 28) и Н.М. Эмануэл (Институт биохимической физики РАН, Россия, Москва, 119334 Косыгина ул., 4) ПОЛИЭДРАЛЬНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ: МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СВОЙСТВ, [главы II. Малые фуллерены: С20, С36 (структура молекул, твердые тела), С40 эндоэдральные аналоги молекул ферроцена; III. Неуглеродные фуллерены на основе бора, В, BN, MS2 (М=W, Mo), МО2 (М=Si, Ge, Sn) структура и свойства; IV. Углеродные нанотрубы (УНТ): структура и физико-химические свойства чистых УНТ, гидрированнные УНТ, структура и свойства; структура и физико-химические свойства УНТ, заполненных атомами металлов и молекулами, их свойства; «стручки_» - С60,70,82 и др. фуллерены в УНТ; ковалентно-связанные УНТ структуры; многотерминальные УНТ соединения с топологическими дефектами, структура и свойства; V. Неуглеродные нанотрубы из В, BN, MS2 (М=W, Mo), МО2 (М=Si, Ge, Sn), структура и физико-химические свойства.] (источники: http://dace.ru/db.html?letter=%CD&id=1315); (http://dace.ru/db.html?letter=%CD&id=1318, http://dace.ru/db.html?letter=%CD&id=1272).

По вопросу электроосаждения (электрофореза) фуллеренсодержащих материалов.

12. Матысина З.А., Щур Д.Б., Загинайченко С.Ю. Углеродные наноматериалы и фазовые превращения в них, Институт проблем материаловедения НАН Украина, Днепропетровск, Наука и образование, 2007, 680 С. УДК 539.8:669.01 (стр. 19-76, Глава I, Существующие определения понятия, и представления о механизмах образования и превращения углеродных наноструктур. стр. 29 Эндофуллерены, стр. 627-644 Глава XVII. Особенности синтеза пленок фуллерита или фуллеренсодержащих соединений электрофоретическим методом и некоторые их свойства.

13. Хотыненко Н.Г., Коваль А.Ю., Рогозинская А.А., Власенко А.Ю., Мильто О.В., Каменецкая Е.А., Вороная Т.В., Щур Д.В., Загинайченко С.Ю. ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВЫХ МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ, Труды XI Международной Конференции "Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов", Украина, 2009, 770-773.

14. Д.В. Щур, С.Ю. Загинайченко, Н.Г. Хотыненко, А.Ю. Коваль, А.А. Рогозинская, О.В. Мильто, Е.А. Каменецкая, Особенности влияния некоторых МОС на свойства массивных фуллеренсодержащих электроосажденных покрытий, в сборнике, Наносистемы, наноматериалы, нанотехнологии, Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies, 2010, т. 8, №2, сс. 421-429, © 2010 ИМФ (Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины).

PACS:61.48. - c, 68.37.Hk, 81.05.ub, 81.15.Pq, 81.16.Nd, 82.45.Qr, 88.30.R-

1. Способ получения эндоэдральных наноструктур, включающий внедрение ионов в полиэдральные наноструктуры путем имплантации ускоренных ионов внутрь полиэдральной наноструктуры и образования в ней ионного комплекса, отличающийся тем, что

ускоренные ионы направляют на полиэдральную наноструктуру в результате их каналирования в наноканалах трековой мембраны; относительное положение полиэдральной наноструктуры и налетающего имплантируемого иона фиксируют наноканалами трековой мембраны, являющейся имплантирующей, в которых происходит их столкновение; причем ориентирование молекулы полиэдральной наноструктуры осуществляют за счет эпитаксии и эпитаксиального соотношения кристаллических решеток материала наноканала и молекулы полиэдральной наноструктуры; наноканалы выполняют двоякоконической формы с внутренним сужением для затруднения перехода молекулы полиэдральной наноструктуры с одной стороны мембраны на другую, фокусировки движущегося иона к центру наноканала и обеспечения выхода из него молекулы полиэдральной наноструктуры после имплантации иона, при этом часть двоякоконического наноканала и поверхность трековой мембраны между наноканалами со стороны подачи молекул полиэдральных наноструктур выполняют проводящими для обеспечения ускоряющего и фокусирующего потенциала, поданного на молекулы полиэдральной наноструктуры, находящиеся в наноканале; причем для формирования структуры ионного потока используют вторую трековую мембрану - мембрану ионного источника, изготовленную в едином процессе вместе с первой и повторяющую структуру относительного между собой расположения наноканалов первой имплантирующей мембраны; между указанными трековыми мембранами подают постоянное регулируемое напряжение, а объемы реактора с потоками подаваемых полиэдральных наноструктур, ионов, а также полученных эндоэдральных наноструктур, разделяют указанной имплантирующей мембраной и поддерживают в этих объемах температуры, обеспечивающие подвод и требуемые агрегатные состояния материалов, участвующих в процессе имплантации, а также отвод продуктов из зоны имплантации; а при получении эндоэдральных структур в растворе используют полярный растворитель, в котором под влиянием приложенного к мембранам напряжения молекулы полиэдральных наноструктур приобретают отрицательный заряд и блокируют наноканал имплантирующей мембраны, а имплантируемые ионы приобретают положительный заряд и переходят с одной ее стороны на другую с образованием эндоэдральных наноструктур.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве полиэдральных наноструктур используют фуллерены, а в качестве имплантируемых ионов - ионы металла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к волокну-предшественнику для углеродных волокон, к углеродному волокну и к способу его получения. Волокно-предшественник углеродного волокна содержит полимер общей формулы (1): где Ar1 представляет собой арильную группу, выраженную любой из структурных формул (1)-(5), и Ar2 представляет собой арильную группу, выраженную структурной формулой (6) или (7), за исключением комбинации, где Ar1 представляет собой группу, выраженную структурной формулой (3), и Ar2 представляет собой группу, выраженную структурной формулой (6), и комбинации, где Ar1 представляет собой группу, выраженную структурной формулой (1), и Ar2 представляет собой группу, выраженную структурной формулой (6): Техническим результатом является получение углеродного волокна с превосходной механической прочностью без неплавкой обработки.

Изобретение может быть использовано в производстве эффективных электродных материалов в химических источниках тока, сорбентов. Для получения композита диоксид титана/углерод TiO2/C проводят термическое разложение титансодержащего прекурсора в инертной атмосфере.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для изготовления автоэлектронных эмиттеров. Углеродные нанотрубки осаждают на металлические подложки в дуговом реакторе в рабочей атмосфере на основе инертного газа, содержащей водород 8-10 об.% и гелий - остальное.

Изобретение относится к технологии производства технического кремния в рудно-термических печах и его дальнейшего рафинирования. Способ рафинирования технического кремния осуществляют методом направленной кристаллизации, при этом расплав кремния охлаждают до 1420°С, погружают в него на 3-30 с металлические кристаллизаторы с начальной температурой примерно 150-200°С, выделяют на их поверхностях примеси металлов в виде интерметаллических соединений и твердых растворов с кремнием, после чего кристаллизаторы вместе с примесями удаляют из расплава и перемещают в перегретый флюс для стекания с них кремния, обогащенного примесями.

Изобретение может быть использовано при изготовлении катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, красок, грунтовок, клеев, бетонов, целлюлозных материалов.

Изобретения могут быть использованы в химической и металлургической промышленности. Сначала исходные нанотрубки или нановолокна обрабатывают кислотой при 20-100°C, промывают и сушат.

Изобретение может быть использовано при изготовлении сорбентов, носителей катализаторов, материалов для электрических конденсаторов. Для получения мезопористого углеродного материала с высокой удельной поверхностью в качестве прекурсоров используют смеси индивидуальных органических соединений, одним из компонентов которых является фурфурол, а вторым - фенол или гидрохинон.

Изобретение относится к плазменному синтезу наноматериалов. Эндоэдральные фуллерены получают в водоохлаждаемой металлической герметичной камере 1 в плазме высокочастотной дуги при атмосферном давлении с использованием переменного тока.

Изобретение может быть использовано в авто- и авиастроении. Углерод-углеродный композиционный материал получают посредством изготовления преформы из углеродных волокон, уплотнения полученной преформы матрицей из пиролитического углерода, получающегося из прекурсора в газообразном состоянии, по меньшей мере в основной наружной фазе матрицы, и заключительной термообработки при температуре 1400°-1800°С, не вызывая при этом графитизации матрицы из пиролитического углерода.

Изобретение может быть использовано при изготовлении катализаторов, анодов для производства алюминия, процессоров, электронных устройств для хранения данных, датчиков биомолекул, деталей автомобилей и самолётов, спортивных товаров.

Изобретение относится к области биомедицинской техники. Описан способ получения наноструктурированного композиционного электропроводящего покрытия, включающий нанесение ультрадисперсионной суспензии из карбоксиметилцеллюлозы и углеродных нанотрубок на подложку, затем суспензию облучают лазером до полного высыхания в непрерывном режиме длиной волны генерации 0,81-1,06 мкм, интенсивностью облучения 0,1-2 Вт/см2, время облучения 10-100 с, и высохший материал подвергают термообработке путем его отжига в воздухе при температурах 40-150°С в течение 30 мин.
Изобретение относится к напылению теплозащитных покрытий и может быть использовано в авиастроении и других областях машиностроения при производстве деталей турбинных двигателей и установок.

Изобретение относится к процессу подготовки нефти и подтоварной воды. Предложен способ разделения водонефтяной эмульсии путём введения в неё углеродных нанотрубок, содержащих металлы, выбранные из ряда: железо, кобальт, никель.

Изобретение относится к порошковой металлургии жаропрочных никелевых сплавов и может быть использовано при производстве валов и дисков, работающих при высоких температурах с повышенным ресурсом в газотурбинных двигателях летательных аппаратов и газоперекачивающих станциях.

Изобретение относится к областям микро- и наноэлектроники, физики поверхности и может быть использовано для исследования информационных характеристик поверхности наноструктурированных и самоорганизующихся твердотельных материалов.

Изобретение относится к технологии новых оптических стеклообразных кварцоидных материалов, обладающих люминесценцией в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в производстве волоконных световодов с лазерной генерацией в инфракрасном спектральном диапазоне и различных устройств на их основе для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи.

Устройство защитной системы городской застройки включает водонапорную оболочку, выполненную из композитных материалов, обладающих памятью формы, состоит из канала-лотока, имеющего параболическую или иную форму по периметру из композитного наноматериала, сохраняющего форму и повышенную шероховатость.

Изобретение относится к получению высокочистых активных алмазоуглеродных материалов, которые могут быть использованы при суперфинишном полировании, в гальванике и медицине.

Изобретение относится к технологиям создания нанокомпозита для радиоэлектроники и акустики со специальными свойствами. Нанокомпозит состоит из полиуретана, в который добавлены углеродные нанотрубоки в количестве, обеспечивающем получение нанокомпозита, имеющего плотность 1200 кг/м3, а модуль Юнга - 125 МПа, позволяющие смещать собственные частоты упругих механических колебаний конструкций заливок, для коротких импульсов (Δτ=0,5 мс) амплитуда колебаний наибольшая, для длинных импульсов (Δτ=1,0 мс) амплитуда колебаний наименьшая.

Изобретение относится к области создания легких высокопрочных водостойких органокомпозитов на основе волокнистых наполнителей из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) и полимерного связующего и может быть использовано в элементах конструкций в различных областях техники: авиационной, машино-судостроительной, химической, оборонной и др. Предлагается высокопрочный водостойкий органокомпозит, выполненный из волокнистого наполнителя на основе высокопрочных высокомодульных многофиламентных полиэтиленовых волокон и полимерного связующего на основе эпоксидной смолы с аминным отвердителем.

Изобретение относится к способу получения нанокапсул адаптогена. Указанный способ характеризуется тем, что экстракт элеутерококка или женьшеня добавляют в суспензию каррагинана в изопропаноле в присутствии сложного эфира глицерина с одной-двумя молекулами пищевых жирных кислот и одной-двумя молекулами лимонной кислоты, далее приливают гексан, полученную суспензию нанокапсул отфильтровывают и сушат, при этом соотношение ядро/оболочка в нанокапсулах составляет 1:3 или 5:1.
Наверх