Конденсацялық әдіс

Бұл әдіс бұрыннан белгілі және теориялық жоспарда көп зерттелген. Негізінен ұрықтардың түзілуі (зародыш, көбінесе кластерлердің) гомогенді және гетерогенді болып бөлінеді. Бірінші жағдайда ұрық флуктуациялы пайда болады, яғни өздерінің орташа мәндерінен ауытқуы. Жалпы ұрықтың түзілуіне жұмсалатын А жұмысы As бетінің түзілуіне қажетті жұмыс пен Av көлемнің құрылуына қажетті жұмыстың алгебралық қосындысын береді. Екі шаманың байланысы As және Av ұрықтың түзілу процесі үшін үлкен мәнге ие. Қарапайым жағдайда газды фазадан радиусы r сфералы ұрықтың гамогенді түзілуі кезінде Гиббстің еркін энергиясының өзгерісі мұндағы r – ұрық радиусы, σ – ұрық – пар бөлігіндегі бос энергия (беттік энергия), Δ Gv – изотермиялық сығылуға жұмсалған энергия. Гиббстің еркін энергиясы химиялық реакция кезінде энергия өзгерісін көрсетеді және химиялық реакцияның өту мүмкіндігін көрсетеді.

(7.2)

мұндағы Ω – атомдық (молекулярлық) көлем, Δ μ – будан конденсация кезінде ұрық түзілуінің химиялық потенциалының өзгерісі.

(7.3)

где kB – Больцман тұрақтысы, Т – абсолют температура р, р 0 – жүйедегі пар қысымы және тепе теңдік қысым.

7.1 суретте ұрық түзілу кезіндегі еркін энергияның көлемдік және беттік өзгерісі көрсетілген. Бетінің түзілуі үшін жұмыс жүйе үстінде орындалу керек ал көлемінің құрылуында жұмысты жүйенің өзі орындайды. Шекті ұрықтан кіші Атомдар немесе молекулалар тобының түзілуінде (r < r кр,), еркін энергияның өзгерісі оң (жұмысты шығындау керек), және жүйе орнықты емес, яғни беттік мүше көлемдіктен басым түседі.

Бірақта ірі бөлшектің түзілуі (критикалық өлшемнен асатын) энергетикалық тиімді (беттік энергияның ұлғаюы бөлшек өлшемінің квадратына пропорционал, ал көлемді – кубқа пропорционал).

Шектік өлшемнен асатын ұрықтардың түзілуі еркін энергияның толық кемуімен жүреді.

Ұрықтың түзілуі, бу фазасы көлемінде болмаған жағдайда, тек қатты дененің бетінде түзілген жағдайда гетерогенді деп аталады. Сонымен, (7.1) өрнегінің бірінші қосылғышы фазааралық беттің түзілуі нәтижесінде энергияның артуын көрсетеді, ал екіншісі ұрықтың түзілуі кезіндегі энергетикалық ұтысты көрсетеді. (7.1) өрнегінің минимизациясы (7.2) және (7.3) - ті ескере отырыс шектік ұрықтың радиусын анықтауға мүмкіндік береді. (7.1) және (7.2) өрнектерінің талдауы жүйенің параметрлерін өзгерте отырып (бу қысымын ұлғайту және азайту арқылы, мысалы процессте температураны түрлендіре отырып) критикалық радиустың мәнін реттеуге мүмкіндік береді және де алынған ұнтақтардың бөлшектерінің қажетті өлшемін алуға мүмкіндік береді. Нейтрал ортада булануды жүргізу және жазықтыққа басқа бөтен беттің булануын енгізе отырып гетерогенді ұрықтануды алуға болады, бұнда көлемді гомогенді конденсациямен салыстырғанда шектік ұрық түзілуінің потенциалды барьері төмен.

Сонымен, конденсациялық әдіспен ультрадисперсті ұнтақты алудың екі шарттары бар – біріншісі үлкен қанығу және екінші конденсацияланатын буда нейтрал газ молекулаларының болуы.

9. Аморфтық күйден бақыланатын кристаллдану. Көптеген элементтер, металдық құймалар мен қоспалар (мысалға Si, Se және Fe, Ni, Al, Zr құймалары, т.б.) аморфты күйде бола алатындығы белгілі, яғни оларда атомдардың орналасуында тек қана жақын реттерде ғана тәртіп болады да, алыс реттерде тәртіп болмайды. Аморфтық материалдарды алудың түрлі әдістері бар және олар түрлі варианттарда жүзеге асырылады: газдық фазадан конденсациялау, сұйық күйден шынықтыру, иондық имплатанция, жоғары энергетикалық майдалау және т.б. Кристаллитердің туындау және өсу процестерін басқара отырып, аморфтық материалдарды бақыланатын рекристаллизациялық күйдіретін болсақ, кристаллитердің өлшемі кіші болатын (10-20 нм және одан да кіші) наноматериалдарды алуға болады, және олардың кеуектері болмайды. Сұйық күйден шынықтыру шарттарына байланысты наноқұрылымдарды үш түрге бөлуге болады:

1) ерітіндіден шынықтыру кезінде тікелей толық кристаллизациялануы және бір- не көпфазалық поликристалдық құрылымның да, наноқұрылымның да түзілуі;

2) ерітіндіден шынықтыру кезінде кристализация толық жүрмейді де аморфтық-кристалдық құрылым түзіледі;

3) ерітіндіден шынықтыру аморфтық күйдің түзілуіне алып келеді, ол наноқұрылымға тек ары қарай термиялық өңдеу кезінде ғана түрленеді. Үшінші түрдегі материалдар ең терең зерттелінген, олардың ең негізгі өкілі жапон зерттеушілерінің жасаған ерекше магнитті жұмсақ материалы - Finemet құймасы (Nb және Сu-ның аз ғана мөлшері бар Fe–Si–В құймасы) болып табылады. Мысалға сұйық ерітінділерді шашырату арқылы алынған, аморфтық ұнтақтарды өңдеу үшін қысым көмегімен ыстық өңдеу әдістері қолданылады. Бұл әдісті жоғары берікті А1–Y–Ni–Со құймасының көлемді үлгілерінің мысалында жапон зерттеушілері қолданған.

10. Пленкалар мен жабындылар технологиясы. Кеуексіз күйде, дәнектердің өлшемі 1-2 нм-ден және одан артық кең диапазонда болатын наноматериалдарды алуға бұл әдістер өте жарамды. Жалғыз шектеу – бұл пленкалар мен жабындылардың қалыңдығы микронның бөліктерінен жүздеген микронға дейін.

Тұндырудың физикалық әдістері де (Physical Vapor Deposition (PVD)), химиялық әдістері де (Chemical Vapor Deposition (CVD)), және солармен қатар электротұндыру және басқа әдістері қолданылады. Тұндыру әдістерін физикалық және химиялық әдістерге бөлу нақты емес, себебі көптеген физикалық әдістерде химиялық реакциялар қолданылады, ал химиялық әдістерде физикалық әсерлесу орын алады.

Азот не көміртегілі атмосферада доғалық разрядты туғызу – иондық тұндыру технологиясының ең кең тараған әдістерінің бірі; металл иондарының көзі ретінде металлдық катодтар қолданылады. Электрдоғалық буландыру өте өнімді, бірақ металл тамшы фазаларының пайда болады да, олардан құтылу арнайы конструкциялық шараларды қажет етеді.

Иондық-плазмалық тұндырудың магнетрондық вариантында бұл кемшілік жоқ, бұл әдісте нысана (катод), катод пен анод арасында пайда болатын, төмен қысымдағы газдық разряд плазмасының иондарымен атқылау нәтижесінде буланады. Көлденең тұрақты магнит өрісі плазманы нысана маңйында жинақтап, буландурудың тиімділігін арттырады. Онда нысана тік бұрышты пішінде де, оның бетінде, магнит өрісінің күш сыызықтарының кіріс-шығыс аудандарында, «шашырату жолағы» пайда болады. Тозаңдатылатын подложкалар нысана үстінде орналасады, пленкалар құрамы мен структурасы бойынша біртекті болуы үшін, айналып тұрады. Магнетрондық тозаңдату көп жағдайға жарамды, оны тек металл нысаналарға емес, металл емес нысаналарға да қолданады. Магнетрондық тозаңдату қондырғысының схемасы:

1 – катод-нысана; 2 - тұрақты магнит; 3 – ток көзі; 4 - анод;

5 – электрондар траекториясы; 6 – тозаңдау зонасы (жолағы);

7 – магнит өрісінің кернеулігінің күш сызықтары. Магнетрондық тозаңдату кезінде подложкалардың температурасы жоғары емес (100 – 200 °С-ден төмен), сондықтан дәнектерінің өлшемі шамалы наноструктуралық пленкалар мен аморфтық пленкалар алу мүмкіндігі кеңейеді. Бірақ, доғалық әдістермен салыстырғанда, тозаңдату жылдамдығы бірнеше есе төмен.

Иондық-сәулелік өңдеу кезінде нысананың атомдары бетін иондық шоғырлармен атқылау нәтижесінде ұрылып шығады.

11. Наноқұрылымдық жабындыларды газотермалдық тозаңдату әдісі. Наноструктуралық жабындыларды газотермалдық тозаңдату әдісі кең тарап келеді. Шикізат ретінде түрлі оксидтік (А12О3–TiO2, A12O3–ZrO2, Cr2O3–TiO2, ZrO2–Y2O3 және т.б.) және карбидтік (WC–Co, Cr3C2–Ni және т.б.) композициялық наноұнтақтар колданылады. суретінде оттегі-көмірсутекті газ қоспаларын қолданатын қаттықұймалы ұнтақтарды газотермалдық тозаңдату қондырғысының схемасы көрсетілген.

Газотермалды тозаңдату қондырғысының схемасы:

1 – газ қоспаларын енгізу; 2 - араластырғыш; 3 – салқындату системасы; 4 – плазмалық баған; 5 - жабынды; 6 - подложка; 7 – ұнтақты енгізу

12.Сұйық күйден шынықтыру шарттарына байланысты наноқұрылымдардың түзілуі. Cұйық күйден шынықтыру ең кең тараған тәсіл. Бұл тәсілдің негізі 10⁵-10⁸ К/с жылдамдығымен сұйық күйден суытып ұруға негізделген. Ең басты ерекшелігі: құйманы тез суыту үшін барлық жағдайларды жасау керек,яғни кристалдану процесін алдын алу. Практиканың көрсетуі бойынша кристаллизацияны алдын алу үшін және айна тәрізді күйді дер кезінде тіркеу үшін сұйық құйманы суық төсенішпен әрекеттестіру керек. Практикада қолданылатын екі әдісі бар: 1) сұйық металлды айналып жатқан дискттің сыртқы беті бойынша құю, 2) металлды айналып жатқан дискттен алады.Бұл әдіс арқылы ені 1-200 мм, қалыңдығы 20-60мкм. Үздіксіз лента түріндегі фольганы алуға болады. Кристаллитердің туындау және өсу процестерін басқара отырып, аморфтық материалдарды бақыланатын рекристаллизациялық күйдіретін болсақ, кристаллитердің өлшемі кіші болатын (10-20 нм және одан да кіші) наноматериалдарды алуға болады, және олардың кеуектері болмайды. Сұйық күйден шынықтыру шарттарына байланысты наноқұрылымдарды үш түрге бөлуге болады:

1) ерітіндіден шынықтыру кезінде тікелей толық кристаллизациялануы және бір- не көпфазалық поликристалдық құрылымның да, наноқұрылымның да түзілуі;

2) ерітіндіден шынықтыру кезінде кристализация толық жүрмейді де аморфтық-кристалдық құрылым түзіледі;

3) ерітіндіден шынықтыру аморфтық күйдің түзілуіне алып келеді, ол наноқұрылымға тек ары қарай термиялық өңдеу кезінде ғана түрленеді. Үшінші түрдегі материалдар ең терең зерттелінген, олардың ең негізгі өкілі жапон зерттеушілерінің жасаған ерекше магнитті жұмсақ материалы - Finemet құймасы (Nb және Сu-ның аз ғана мөлшері бар Fe–Si–В құймасы) болып табылады. Мысалға сұйық ерітінділерді шашырату арқылы алынған, аморфтық ұнтақтарды өңдеу үшін қысым көмегімен ыстық өңдеу әдістері қолданылады. Бұл әдісті жоғары берікті А1–Y–Ni–Со құймасының көлемді үлгілерінің мысалында жапон зерттеушілері қолданған.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: