Nanočástice PS 2012 1
Syntéza Nps –
Brno, PS 2012
Přednášející: doc. Jiří Sopoušek E-mail:
sopousek@mail.muni.cz, tel.: 549497138
Ofice: UKB A12/M231
Ústav chemie: http://ustavchemie.sci.muni.cz/
Audio test:
Start
Au-nano
• Fázové metody přípravy nanočástic
Využití fázových diagramů
Nanočástice PS 2012 2
Liquid
1. Isobarické ochlazení
2. Isotermická komprese
Aerosol:
Nanoprášky:
Přechodové kovy: Cu, Ni, Co, Fe Al,…
Těžkotavitelné: Mo,W, ..
Oxidy: Al2O3, ZrO2 (chem reakce se
stopami O), ….
Karbidy: SiC, nitridy Si3N4
Nutno rozlišovat
kondenzaci a přípravu
nanočástic a vrstev
Hlavní stádia procesu:
- Produkce par
- Kondenzace (ev. Chem - reakce
pro CVD)
- Kontrola velikosti
- Ochrana Nps
- Separace velikostních frakcí
Rovnováha g-s
Nanočástice PS 2012
gas solid
Teplotní pole
Parciální tlak
složek
Změny celkového tlaku
Indukční ohřev
Vybrané závislosti a funkce
Nanočástice PS 2012 4
Pro hranici
g/l platí:
Stupeň
přesycení:
Představa dynamické rovnováhy v přesycené
plynné fázi
Nanočástice PS 2012 5
Děj řídí
statistické
fluktuace
(distribuce
klastrů o
různém počtu
atomů)
Každý agregát atomů lze popsat rovnovážnou konstantou a tedy
reakční Gibbsovou energií
Koncentrace at. agregátů
velikosti n je velmi málá ale
řídí se vztahem:
Četnost atomárních klasteru získaná z měření
MS
Nanočástice PS 2012 6
(distribuce atomárních agregátů a
klastrů závisí mj. na stupni přesycení)
Podmínky pro vznik zárodku – homogenní
nukleace
Nanočástice PS 2012 7
Platí: Počet atomů dn1 které ubyly v plynné fázi =
těm co přibyly v kapalné
Gibbsova en. Spojená s kondenzací:
Pak po integraci:
Nutno uvážit i energii
povrchu pak:
Kde p/p0 je přesycení Máli vznikat nová fáze
pak musí platit:
A jeho hodnota musí být dostatečně velká, aby
kompenzovala člen povrchový.
Nanočástice PS 2012 8
Nadkritický zárodek
Pro sférický zárodek:
Hledáme extrém:
Kritická velikost:
Kritická bariera:
Koncentrace kritických zárodků:
Nukleační rychlost
Nanočástice PS 2012 9
Odvozeno z kinetické teorie plynů
Pro velmi málé zárodky:
V počátečních stádiích kondenzace za daného tlaku rychlost nukleace vzrůstá když
je přesycení velké.
Za vysokého přesycení vzniká mnoho malých zárodků
Za nízkého přesycení vzniká málo zárodků ale jsou velké
Ke vzniku nanočástic je třeba velkých přesycení.
Nanočástice PS 2012
Fig. 1. Illustrations of (A) the generally overall
excess free energy, (B) the average number of
cluster, and (C) the specifically overall excess free
energy for heterogeneous and
homogeneous nucleation, as functions of cluster size,
respectively.
http://www.intechopen.com/books/nanocrystal/coll
oidal-hybrid-nanocrystals-synthesis-properties-
and-perspectives
Nanočástice PS 2012
Nanočástice PS 2012
Hybrid nanoparticle (článek o nukleaci)
http://www.intechopen.com/books/nanocrystal/colloidal-hybrid-nanocrystals-synthesis-properties-and-perspectives
Post kondenzační efekty
Nanočástice PS 2012 13
Negativní jevy při přípravě vzniku nanočástic kondenzací:
- koalescence (spojování) v důsledku brownova pohybu
- růst, vede k lognormálnímu rozdělení (viz DLS grafy):
B... normalizační faktor
kde
Brownův pohyb (před po)
Technologie PVD – příprava par
Nanočástice PS 2012 14
Dynamická bilance ohřevu:
Závislost odpařeného
množství na tlaku par.
Závislost odpařeného
množství na teplotě!!!!
Tlaky par vybraných látek
Nanočástice PS 2012 15
Nanočástice PS 2012
Tlaky par prvků (vč. Bodu tání a varu)
Nanočástice PS 2012
Tlaky par prvků (pokrač.)
NPs připravené PVD
Čisté Fe a Ni
Čisté In
Možnosti kontroly velikosti při
PVD
Běžné metody: změna p a T profilu, geometrie,...
Termoforéza: Kryogenní kondenzace
Brownův pohyb  a sedimentace Omezení růstu a koalescence
vysokým teplotním gradientem
Alternativní metody ohřevu při PVD
Nanočástice PS 2012 20
Plasma Vapour System
Elektronový paprsek: 200-1500kW: 3000stC
Argon plasma: 5-10kW: 3000-14000stC
Laserová ablace
Nanočástice PS 2012 21
Ablace je odstranění
materiálu z povrchu
objektu pomocí
odpařování, sekání,
nebo jiným erozivním
procesem.
Ablace Au:
http://ants0.kaist.ac.kr/xe/Laser
Nanočástice PS 2012
http://www.lia.org/blog/2011/03/laser-generated-colloidal-nanoparticles-by-laser-ablation-
in-liquids/
Laserová ablace v roztoku
Podmínkou je fokusace laseru
TiO2 ablačně.
The team is using a continuous
wave (cw) fibre laser to produce
titanium-oxide nanoparticles with
a mean diameter of 30-40 nm at a
rate of around 2 grams/hour (g/h).
http://nanotechweb.org/cws/article/tech/
30709
Nízké výtěžky
Laserová ablace Úch A14 pod
ochrannou atmosférou
a)
b)
Schéma aparátu určeného pro laserovou ablaci. (a) ablační komora (b) laser
Elektronová mikroskopie ablatačního produktu z ÚCh
Nanočástice PS 2012
Ablace mosazi na ÚCh
Ablační metody: pro
problémy a nezdary na
Ústavu chemie opuštěno.
Problémy: agregace,
široká distribuce
částic, povrchové děje
(oxidace, adsorpce).
Nízké výtěžky
Ablace se používá
jako prakticky
nedestruktivní
příprava vzorku
pro další analýzy
Tvorba nano vrstev pomocí PVD (PVD
coating)
Nanočástice PS 2012 25
http://www.pvd-coatings.co.uk/
http://materion.com/Products/ThinFi
lmDepositionMaterials/PVDMaterial
List/PVDMaterialList-
Microelectronics/PureMetals.aspx
Aluminu
m
Antimon
y
Berylliu
m
Bismuth Boron
Cadmium Calcium Carbon Cerium Chromium
Cobalt Copper Erbium Gadolinium Gallium
Germanium Gold Hafnium Indium Iridium
Iron Lanthanum Lead Magnesium Manganese
Molybdenum Neodymium Nickel Niobium Osmium
Palladium Platinum Praseodymium Rhenium Rhodium
Ruthenium Samarium Selenium Silicon Silver
Tantalum Tellurium Terbium Tin Titanium
Tungsten Vanadium Ytterbium Yttrium Zinc
Zirconium
Standard PVD Pure Metals
Velké uplatnění při tvorbě
ochranných a mechanicky
odolných vrstev. Uplatňují se
i CVP procesy
Technologie povlakování substrátů
Nanočástice PS 2012
Povlaky Ti, Al:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S025789720300152X
Technologie PVD
http://westcoastpvd.com/pvd-technology.php
Nanočástice PS 2012 28
Diskuse
? ?Klastry Ag: http://www.genetical.com/dc/ScientificResearch/Northwestern/CPL/
Sintrace nanočásticovách
vrstev řízená laserem:
http://ants0.kaist.ac.kr/xe/Las
er
Nano videa:
http://www.azom.com/materials-
videos.aspx?cat=17