Спосіб отримання наночастинок на носіях

Реферат: Винахід стосується галузі нанотехнологій, а саме до способів отримання наночастинок на поверхні носіїв різного типу методом вакуумного осадження. Особливостями реалізації способу є наявність: вакуумного обладнання з робочою камерою, системи випаровування осаджуваної речовини, системи формування спрямованого потоку осаджуваної речовини (якщо така не передбачена системою випаровування), заслінки, яку встановлюють на шляху потоку розпиленої речовини між джерелом та носієм на відстані від носія, яка забезпечує розгортку зони "півтіні" на довільну площу поверхні носія. Заявлений спосіб забезпечує одержання наноструктур з фіксованими параметрами. UA 108243 C2 (12) UA 108243 C2 UA 108243 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі нанотехнологій, а саме до способів отримання наночастинок на поверхні носіїв різного типу за допомогою вакуумного осадження. Спосіб може бути використаний для створення високоефективних функціональних, каталітично-активних покриттів, а також для отримання зразків, призначених для фундаментальних досліджень властивостей нанооб'єктів. Відомий спосіб отримання наночастинок металу або напівпровідника (патент RU № 2380195, Способ получения осажденных на носителе наночастиц металла или полупроводника, МПК B22F 9/14, В82В 3/00, С23С 4/00 опубл. 27.01.2010 р.), який включає розплавлення у вакуумі та диспергування потоку розплавленого матеріалу, подачу отриманих рідких крапель у плазму, охолодження рідких наночастинок у плазмі до їх затвердіння та осадження твердих наночастинок на носій. Недоліком цього методу є низька адгезія отримуваних наночастинок із носієм, аморфна структура отримуваних наночастинок, обов'язкова умова електропровідності носія та матеріалу наночастинок. Спільними, з рішенням, що заявляється, ознаками є розплавлення у вакуумі матеріалу наночастинок, створення потоку розплавленого матеріалу та осадження його на носій. Відомий спосіб отримання наночастинок на носіях (патент RU № 2436862, Способ нанесения покрытий, МПК В82В 3/00, С23С 4/12, опубл. 20.12.2011 р.), який включає плазмотронне розпилення матеріалу, з використанням на виході з плазмотрону стінки у формі тупого кута ABC, встановленої таким чином, що кут ABC є зовнішнім по відношенню до відхилення частини стінки ВС від осі плазмового струменя, і складає не менше 10 градусів, а розпилення здійснюють із забезпеченням розширення газового потоку при обтіканні плазмовим струменем зазначеної стінки та утворенням комплексу хвиль розрідження з конденсацією наночастинок із парової фази матеріалу, що напилюється, в плазмоутворюючому газі та їх осадження на носій. Недоліком цього способу є низька адгезія наночастинок з носієм, неможливість контролю розміру наночастинок у процесі конденсації. Крім того, цей спосіб реалізують лише з використанням плазмотронного розпилення. Спільними, з рішенням, що заявляється, ознаками є розплавлення у вакуумі матеріалу наночастинок, створення потоку розплавленого матеріалу, розділення потоку з використанням конструкційних перешкод та осадження матеріалу на носій. Прототипом вибрано спосіб отримання наночастинок металів на напівпровідникових підкладках (Яновський О., Томілін С. // Нанокаталізатори на основі паладію (Pd) та ніобію (Nb): технологія виготовлення та властивості // Вісник Львів, ун-ту, Серія фіз. 2010. Вип. 45. - С. 182186), який включає: розплавлення матеріалу у вакуумі, створення потоку розплавленого матеріалу, формування наночастинок на поверхні носія шляхом використання тонкої заслінки, розташованої на поверхні носія так, що площини поверхні носія та заслінки утворюють плоский кут φ, а заслінку розміщують на шляху розпилюваного металу між підкладкою та випарником, причому кут нахилу заслінки φ можна змінювати в діапазоні 5-20°. За таких умов частина поверхні підкладки стає "закритою" від потоку напилюваного матеріалу, а наночастинки утворюються у вузькій зоні "півтіні". Недоліком цього способу є розміщення заслінки на поверхні носія з можливістю регулювання її положення тільки за рахунок зміни плоского кута φ між заслінкою та поверхнею носія, що не дозволяє отримувати наноструктури по всій площі зразка. Спільними, з рішенням, що заявляється, ознаками є: розпилення матеріалу у вакуумі, створення потоку розпиленого матеріалу, формування наночастинок із використанням заслінки на шляху потоку розпиленого матеріалу. В основу винаходу поставлено задачу розробити спосіб отримання наночастинок на носіях, який шляхом вакуумного осадження, з використанням заслінки, дозволяє в одному технологічному циклі на одному зразку отримувати наноструктури різних розмірів із довільного матеріалу з використанням будь-якого з існуючих методів розпилення у вакуумі (термічного, магнетронного, електронно-променевого, лазерного, іонно-пучкового). Суттєвими ознаками винаходу є: - розпилення матеріалу у вакуумі; - створення потоку осаджуваної речовини; - формування наночастинок із використанням заслінки, яку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини на відстані від носія, яку розраховують за формулою: r R  l L , (1) де 1 UA 108243 C2 l - відстань від заслінки до джерела, м; L - відстань від ребра заслінки до носія, м; r - лінійний розмір джерела, м; R - лінійний розмір зони "півтіні" на носії, м. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відмінними від прототипу ознаками є те, що заслінку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини на відстані від носія, яка забезпечує розгортку зони "півтіні" на довільну задану ширину за формулою 1. Технічний результат досягається використанням у запропонованому способі заслінки, яку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини на регульованій відстані від носія. Це забезпечує отримання наночастинок осаджуваного матеріалу на поверхні носія, які формуються в процесі острівцевого механізму росту. Перелік фігур креслення. На фіг. 1 наведено схему запропонованого способу. На фіг. 2 наведено РЕМ-знімки наноутворень, отриманих методом, що заявляється, при осадженні паладію на монокремній (а - "чиста" поверхня носія; б, в, г, д - наноутворення в різних ділянках зони "півтіні"; е - суцільна плівка). Використання у запропонованому способі заслінки, яку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини на заданій відстані від носія, дозволяє отримати зону "півтіні" довільної ширини, а в разі необхідності навіть ширшу за розміри носія, що, у свою чергу, дозволяє отримати на носії задану ділянку "півтіні" з фіксованими параметрами наноструктур. Спосіб отримання наночастинок на поверхні носія може бути здійснений з використанням 5 високовакуумного обладнання (робочий тиск не вище 10- Торр), у робочій камері якого реалізований метод розпилення матеріалу та формування направленого потоку матеріалу на носій (термічне, магнетронне, електронно-променеве, лазерне, іонно-пучкове розпилення і т.і.). Спосіб здійснюють таким чином: Для формування наночастинок у робочій камері високовакуумного обладнання здійснюють розпилення речовини та створюють направлений потік розпиленого матеріалу із джерела 1 в напрямку носія 2. На шляху потоку розпиленого матеріалу між джерелом 1 та носієм 2 розміщують заслінку 3. Заслінку 3 розміщують на відстані від носія 2 таким чином, щоб вона забезпечувала розгортку зони "півтіні" 4 на довільну задану ширину. Край заслінки 3 розташовують на лінії, що з'єднує центри джерела 1 та зони "півтіні" 4 на носії 2. Відстань від заслінки 3 до носія 2 обирають із умови подібності трикутників за формулою 1. При осадженні розпиленого матеріалу на носій 2 окрім зони суцільної плівки 5 на поверхні носія утворюється зона "півтіні" 4, яка межує із зоною чистої поверхні носія 6. За необхідності положення заслінки 3 може задовольняти умовам, коли зони 5 та 6 на поверхні носія можуть бути відсутні. У зоні "півтіні" 4 покриття має такий вигляд: ближче до зони чистої поверхні отримане покриття має зародкову структуру внаслідок малої кількості матеріалу, що осаджується на носій 2, потім зародки набувають форми тривимірних острівців, далі острівці починають зрощуватися між собою, поступово утворюючи суцільне покриття (фіг. 2). Залежно від кількості матеріалу, що осаджують на поверхню носія 2, суцільне покриття в зоні "півтіні" 4 може бути відсутнім. Така структура відповідає загальновідомому механізму росту тонкоплівкових покриттів у процесі їх осадження. Шляхом зміни положення заслінки 3 можна регулювати ширину зони "півтіні" 4 на носії 2, а за необхідності зробити її навіть ширшою за розміри носія 2, що дозволяє отримати на його поверхні наночастинки заданого розміру. Змінюючи умови осадження матеріалу на носій 2, а саме: швидкість осадження та температуру носія 2, можна регулювати параметри острівцевих наноутворень. Ріст наночастинок безпосередньо на поверхні носія 2 забезпечує хорошу адгезію. При використанні монокристалічних носіїв можлива модулююча дія носія на кристалографічну будову наноутворень. Приклад конкретного виконання: Спосіб було реалізовано з використанням вакуумного універсального поста ВУП-5м, який 6 дозволяє створювати в робочій камері тиск 10- Торр. Розпилення здійснювали методом термічного випаровування матеріалу з вольфрамових конусоподібних бритвалів. Джерелом 1 у даному випадку виступав вихідний отвір бритваля. Матеріалом для розпилення було обрано паладій Pd. Носієм 2 слугували пластини монокристалічного кремнію марки КЕФ-0.35 завтовшки 400±20 мкм поліровані з обох сторін із шорсткістю поверхні < 10 нм та орієнтацією (111). Пластини 2 UA 108243 C2 5 10 15 20 25 перед напиленням обробляли в концентрованій кислоті HF для зняття природного оксиду. Перед напиленням носій прогрівали у вакуумі до температури ~ 200 °C для покращення адгезії. На шляху потоку розпиленого матеріалу між джерелом 1 та носієм 2 розміщували заслінку 3. Заслінка мала прямолінійне гостре ребро, причому грані, що утворювали ребро, створювали плоский кут θ, менший 2α (фіг. 1). Заслінку 3 розміщували таким чином, щоб гостре ребро знаходилося на лінії, що з'єднує центри джерела 1 та зони "півтіні" 4 на носії 2, та було зорієнтоване перпендикулярно до потоку розпиленого матеріалу. Відстань від ребра заслінки 3 до носія 2 обирали за формулою 1. Так, відстань від випарника до ребра заслінки становила 0,04 м, від ребра заслінки до носія - 0,18 м, лінійний розмір вихідного отвору випарника - 0,004 м, відповідно було отримано розгортку "півтіні" на відстань 0,018 м. При осадженні розпиленого матеріалу на носій 2, окрім зони "півтіні" 4, на його поверхні утворилася зона суцільної плівки 5 та зона чистої поверхні носія 6. Дослідження поверхневої морфології отриманого покриття проводили засобами растрової електронної мікроскопії SEM Supra 40 WDS Carl Zeiss Inc. Показано, що структура покриття в зоні "півтіні" 4 така: ближче до зони чистої поверхні 6 (фіг. 2а) покриття має зародкову структуру (фіг. 2б) внаслідок малої кількості матеріалу, що осаджували на носій 2, далі від зони чистої поверхні 6 зафіксовано наявність окремих тривимірних острівців (фіг. 2в), ще далі острівці починають зрощуватися між собою (фіг. 2г, д), поступово утворюючи суцільне покриття 5 (фіг. 2е). Таким чином, було отримане експериментальне підтвердження того, що заявлений спосіб дозволяє отримувати наночастинки осаджуваного матеріалу на поверхні носія в зоні "півтіні". Спосіб дозволяє за допомогою використання заслінки, яку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини, в одному технологічному циклі на одному зразку отримувати наноструктури різних розмірів із довільного матеріалу на довільних носіях із використанням будь-якого з існуючих методів розпилення у вакуумі. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб отримання наночастинок на носіях, який включає розпилення матеріалу у вакуумі, створення потоку розпиленого матеріалу, формування наночастинок із використанням заслінки на шляху потоку розпиленого матеріалу, який відрізняється тим, що заслінку розміщують на шляху потоку осаджуваної речовини на відстані від носія, яку розраховують за формулою: r R  , l L 35 де l - відстань від заслінки до джерела, м; L - відстань від ребра заслінки до носія, м; r - лінійний розмір джерела, м; R - лінійний розмір зони "півтіні" на носії, м. 3 UA 108243 C2 4 UA 108243 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5