Спосіб одержання нанопорошкових матеріалів і структур на їх основі

Спосіб одержання нанопорошкових матеріалів з допомогою імпульсного лазерного випаровування мішеней, який відрізняється тим, що випаровування здійснюють із металічної мішені у потоці реактивного І Інертного газів заданої концентрації. Корисна модель стосується галузі порошкової напівпровідникової технології, а саме, одержання нанопорошкових матеріалів та бар'єрних структур на їх основі методом імпульсного лазерного реактивного випаровування мішеней матеріалів і може бути ефективно використаний для продукування нанопорошків. Найбільш близьким до корисної моделі за технічною суттю є спосіб одержання нанопорошків з допомогою СОг - лазера при випаровуванні мішеней окислів металів [G Michel, E.Muller, Ch.Oestreich, G.Staupendahl, K..Henneberg, Ultrafine ZrO2 Powder by Laser Evaporation: Preparation and Properties, Materialwissenshalf und Werkstofftechnik]. Однак, у згаданому методі відсутній дозований контроль тиску і складу реактивного газу, що не дає змоги формувати при цьому складні нанопорошкові матеріали та бар'єрні структури на їх основі при випаровуванні металічних мішеней До того ж для випаровування мішеней окислів металів необхідно використовувати в основному СОг чи ексимерні лазери, що обмежує використання для цього доступних і дешевих твердотільних потужних лазерів, які працюють у видимій області спектру. В основу нашої корисної моделі поставлена задача продукування складних нанопорошкових матеріалів та структур на їх основі. Це завдання вирішується тим, що в запропонованому способі процес імпульсного лазерного випаровування матеріалу мішені та формування, відповідно, поряд з паро-газовою фазою мікрокрапельної фракції здійснюється у напрямленому потоці сумішей реактивного (Ог, N2) й інертного (Не, Аг) газів у заданій пропорції. Це забезпечує сепарацію випарува ного матеріалу та синтез складних нанопорошкових матеріалів і бар'єрних структур на їх основі. Суть корисної моделі полягає в тому, що в процесі імпульсного лазерного реактивного випаровування металічної мішені в суміші газів має місце хімічна взаємодія мікрокрапельної фракції з реактивним газом та формування, в залежності від тиску останнього, складних нанопорошкових матеріалів та бар'єрних структур на їх основі. Направлений з заданою швидкістю потік суміші газів забезпечує сепарацію порошку з подальшим його збором на виході з реакційної камери з допомогою спеціального циклону і фільтрів Характерною особливістю одержаних нанопорошкових матеріалів є те, що в процесі імпульсного лазерного реактивного випаровування металічної мішені із-за високої реакційної здатності пароплазмового факелу в активній атмосфері (наприклад Ог) має місце формування напівпровідникових окисних сполук та бар'єрних структур на їх основі. Величина парціального тиску реактивного газу забезпечує повне або часткове (поверхневе) окислення гранул порошку. Приповерхневе окислення гранул дає змогу формувати в них бар'єрні структури типу Шоткі переходів (метал-напівпровідник) з виникненням контактного поля в системі переходу та відповідною зміною при цьому електронного стану. У випадку контакту напівпровідника n-типу з металом, коли співвідношення їх робіт виходу концентрація електронів в приповерхневій О) 11169 області п(х) = п 0 exp|--^L]. де n 0 - рівноважна концентрація електронів в об'ємі напівпровідника, Еп - величина потенціального бар'єру. Глибина проникнення контактного поля в напівпровідник тим більша, чим більша різниця робіт виходу напівпровідника і металу і менша концентрація легуючої домішки в напівпровіднику. Якщо Ам < Ан, то концентрація електронів в приконтактній області напівпровідника збільшується, стає рівною ехрі п k T і при контактний шар напівпро відника стає збагаченим У випадку контакту металу з напівпровідником р-типу збіднений шар утворюється при АмАн. Збіднення або збагачення електронами зони провідності приповерхневого шару гранул сприяє зміні, зокрема, інтенсивності поверхневої компоненти люмінесценції. А тому, шляхом зміни хімічного складу приповерхневого шару та його концентрації носив заряду і типу провідності, можна цілеспрямовано модифікувати електронні властивості нанопорошкового матеріалу. У запропонованому способі випаровування скануючої мішені здійснюють з допомогою Імпульсного YAG:Nd3+ - лазера (Ь=1.06мкм, T=10"%-10 5 C, q=106-H5107BT/cM2) в потоці суміші газів, яку скеровують паралельно випаровуваній мішені (рис.) Потік робочого і реактивного газів в необхідному співвідношенні з допомогою вентилятора спрямовують в реакційну камеру для перенесення порошку в циклон і фільтри. Шляхом регулювання парціального тиску реактивного газу забезпечують повне або часткове окислення нанопорошку І створення, відповідно, складного нанопорошкового матеріалу або бар'єрних структур на його основі 4 типу метал-напівпровщник (напр. Zn-ZnO при випаровуванні Zn - мішені в кисневому середовищі). Використання запропонованого нами способу дає змогу ефективно продукувати нанопорошкові матеріали складних сполук із середньогеометричним діаметром до 5-н20нм і питомою поверхнею 80+190м2/г при продуктивності до 50г./год. Приклад 1 Одержують нанопорошковий матеріал оксиду цинку шляхом випаровування спресованої таблетки порошку ZnO випромінюванням імпульсноперіодичного СОг - лазера (Х=10.6мкм, т=25мкс, q=5 105Вт/см2), з наступною конденсацією парів в потоці повітря. Рентгенівські дослідження фазового складу і структури одержаних нанопорошків дали змогу встановити їх багатофазність структури з явною (-90%) перевагою гексагональної сингонії. Аналіз елементного складу суміші порошку з допомогою Оже-спектроскопії дав змогу виявити, що синтезований матеріал містить до 2-3% вуглецю і інших фонових домішок. Приклад 2 Одержують нанопорошковий матеріал оксиду цинку шляхом випаровування Zn - мішені з допомогою YAG:Nd3+ - лазера (Х=1.06мкм, т=120не, q=3 107Вт/см2) з конденсацією парів в напрямленому потоці суміші газів (Ог:Не-1:3). Результати рентгеноструктурних досліджень одержаних нанопорошкових матеріалів показали, що всі вони однофазні та володіють явно вираженою вюрцитною структурою з параметрами ґратки (а=3.2498, с=5.2058(А)), які відповідають чистому матеріалу ZnO. Згідно з одержаними результатами Оже -аналізу синтезованих порошків, концентрація фонових домішок у них не перевищува 10 ч %. Рис Блок-схема установки для одержання нанопорошків (РК - реакційна камера, Ц - циклон, ЕФ - електричні фільтри, МФ - механічні фільтри, П - збір порошку, М -мішень) Комп'ютерна верстка Н. Лисенко Підписне Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул. Глазунова, 1, м Київ-42, 01601