Оборудование и технология получения наноматериалов из газовой фазы презентация

Газофазный синтез наносистем основан на испарении исходного вещества – мишени (путем интенсивного нагрева) с последующей конденсацией образующегося пара в реакторе с контролируемой атмосферой (путем подачи его или заранее подготовленной парообразной реакционной смеси с помощью газа-носителя в реакционное пространство реактора и резкого охлаждения).

Фазовый переход (пар – твердое тело) может происходить в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок реактора.

Конденсационным синтезом из газовой фазы получают различные твердые наносистемы: нанопорошки металлов, нанопорошки керамики, нанопленки и углеродные нанотрубки.

в пар используют различные способы нагревания: термическое, лазерное, электродуговое, плазменное и др.

В зависимости от вида исходных материалов и получаемого нанопродукта, испарение (при котором исходные вещества диспергируются на атомном или молекулярном уровне) и конденсацию (при которой нанопродукт получается путем объединения отдельных атомов в укрупненные ансамбли с новой структурой и новыми свойствами) проводят в вакууме, в атмосфере инертного газа (Не, Ar), в потоке разреженного газа-носителя или газа-реагента или в плазменной струе.

Размер и форма наночастиц зависит от температуры процесса, давления в реакционном пространстве и от состава атмосферы (в атмосфере гелия наночастицы имеют меньший размер, чем в атмосфере аргона – более плотного газа).

газовой фазы можно разделить на две группы:
методы физического осаждения из газовой фазы (химический состав образующегося твердого нанопродукта и исходный состав пара практически одинаковы);
методы химического осаждения из газовой фазы (химический состав образующегося твердого нанопродукта существенно отличается от исходного состава пара вследствие его разложения).

ФОГФ относятся:
аэрозольный метод (конденсация наночастиц из пересыщенной газопаровой фазы путем инжекции ее в зону охлаждения с умеренным градиентом температур);

криоконденсационный (быстрая конденсация наночастиц из пересыщенного пара с высоким давлением (создаваемого быстрым нагреванием металла радиочастотным импульсами в инертной среде до 1900 оС ) путем инжекции его в зону криогенных температур);

Электровзрывной (быстрая конденсация наночастиц из пересыщенного пара (создаваемого быстрым нагреванием металла до 9000 оС электрическим взрывом тонкой металлической проволоки диаметром 0,1–1,0 мм, протянутой через центр цилиндрического реактора, в инертной атмосфере при кратковременном прохождении по ней мощного импульса тока силой 10–100 кА) за счет возникновения громадного градиента температур (температура предельно высока только в центре реактора);

метод молекулярных пучков (конденсация нанопленок из пересыщенных паров (создаваемых нагреванием чистых компонентов в вакууме 10–6–10–7 Па до высоких температур с использованием замкнутых эффузионных камер с диафрагмой определенного диаметра, обеспечивающей поддержание равновесного для данной температуры давления пара над испаряемым компонентом) при самопроизвольном истечении (эффузии) из камер образующихся молекулярных пучков в зону подложки с более низкой температурой.

Методы ФОГФ являются диспергационно-конденсационными, поскольку первой стадией является диспергирование материала до атомных размеров (испарение и создание определенного пересыщения), а затем физическая конденсация (из пересыщенного пара, служащего генератором наночастиц).
Методы ФОГФ используют для получения нанопорошков и нанопленок металлов, сплавов, керамики и полупроводников.
Наиболее распространен аэрозольный метод (является основой классической технологии испарения-конденсации).
Его реализуют при пониженном давлении: либо в разряженной инертной атмосфере газа-разбавителя (Ar, He) низкого давления (Р = 10–2–10+3 Па – для нанопорошков), либо в вакууме (Р ≤ 10–4 Па – для нанопленок).
Понижение давления приводит не только к уменьшению размера наночастиц (например, от 100 нм при 1000 Па до 2 нм при 10 Па – для Рb в атмосфере Не), но и к увеличению зоны конденсации (от 3 см от испарителя при 1000 Па до 25 см и более – при 10 Па).
Замена He на Ar (газ с большей плотностью) приводит к увеличению размера наночастиц в 2–3 раза.

Установки, использующие принцип испарения-конденсации, различаются:
способом ввода испаряемого материала (мишени);
способом подвода энергии для испарения;
рабочей средой;
организацией процесса конденсации;
системой сбора полученного порошка.
Для испарения материал помещают в тигель или вводят в зону нагрева и испарения в виде проволоки, в виде впрыскиваемого порошка.
Подвод энергии осуществляют термическим (резистивным ) нагревом, лазерным излучением, электродуговым (плазменным) разрядом, электронно-лучевым нагревом, индукционным нагревом (токами высокой и сверхвысокой частоты).
Испарение и конденсацию производят в неподвижном инертном газе, в потоке газа или в плазменной струе.

Рассмотрим схемы установок.

синтеза наночастиц по технологии термического испарения-конденсации.

2. Схема установки для генерации и синтеза наночастиц по технологии импульсного лазерного испарения-конденсации

для генерации и синтеза углеродных нанотрубок по технологии импульсного лазерного испарения-конденсации

для генерации и синтеза наночастиц по технологии электродугового плазменного испарения-конденсации

синтеза углеродных нанотрубок по технологии электродугового плазменного испарения-конденсации

для генерации и синтеза наночастиц по технологии ВЧ индукционного плазменного испарения-конденсации

Существуют установки для генерации и физического синтеза из газовой фазы наночастиц различных материалов по технологии испарения-конденсации на основе аэрозольного метода, в которых в камеру конденсации коаксиально поступают две струи — пар подается вдоль оси, а по ее периферии поступает кольцевая струя холодного инертного газа (Hе или Аг) .
В результате турбулентного смешивания температура паров (например, металла) понижается, увеличивается пересыщение (создается высокий градиент температуры), и происходит быстрая конденсация наночастиц из пара.
Самостоятельной задачей является сбор полученного при конденсации нанокристаллического порошка, так как его отдельные частицы настолько малы, что находятся в постоянном броуновском движении и могут оставаться взвешенными в газе, не осаждаясь под действием силы тяжести.
Для сбора получаемых нанопорошков используют специальные фильтры и центробежное осаждение; в некоторых случаях применяют улавливание их жидкой пленкой.

установки для получения и сбора наночастиц

Достоинство методов физического осаждения из газовой фазы –
высокая производительность.

Недостатки:
1) процессы требуют сложного оборудования,
2) получаемые нанопорошки имеют относительно широкое распределение частиц по размерам (и могут содержать в своем составе газообразные вещества).

(CVD) – группа процессов, которая обязательно включает гетерогенные химические реакции газообразных (или плазмообразных) веществ на поверхности твердого вещества с образованием однофазного или композитного твердого продукта, химический состав которого существенно отличается от исходного состава газопаровой среды вследствие ее разложения.
Если твердый целевой продукт (нанопленка на подложке, нанопорошок) получают химическим осаждением из газовой фазы (chemical vapor deposition) за счет химических превращений нескольких газообразных реагентов, то эти реагенты обязательно одновременно (часто в виде газовой смеси) подают (см. рис. 8) в реакционную камеру (химический реактор).









Рис. 8. Упрощенная схема подачи газообразных реагентов в CVD-реактор

Исходными веществами для проведения химических реакций служат летучие галогениды металлов (фториды или хлориды), гидриды Si, Ge, As, карбонилы Fe, Co, Ni, Mo, W, а также металлоорганические соединения различных классов: алкилы (например, Ме(СН3)n), алкоксиды и др.
Для активации химических реакций в зоне образования целевого продукта к реакционной системе подводят энергию. В зависимости от способа подвода энергии к реакционной зоне реактора (или его отдельных элементов, в том числе к подложке) различают три типа ХОГФ:
термоактивируемое химическое осаждение (CVD);
плазмохимическое осаждение (PECVD);
фотохимическое осаждение (PACVD).

Активирование процессов ХОГФ энергией плазмы и энергией электромагнитного излучения (в УФ-, видимом- и ИК-диапазонах) не означает:
полного отказа от термического способа подвода энергии к подложке (ее нагрева до температур, обеспечивающих приемлемую скорость осаждения и качество целевого продукта)
или использования для активации катализатора (catalytic CVD).

основных процессов ХОГФ:

1) транспортировка газообразных носителей вещества в зону осаждения (к поверхности подложки);
2) адсорбция атомов или молекул реагентов на поверхности;
3) гетерогенные поверхностные процессы (химическая реакция, поверхностная диффузия, интеркаляция), приводящие к зарождению и росту целевого нанопродукта;
4) десорбция побочных газообразных продуктов реакции и транспортировка их от поверхности в ядро потока;
5) удаление целевого продукта из зоны химического осаждения.

Корректировку скорости химического осаждения осуществляют разными способами: изменением температуры, парциальных давлений компонентов, скорости газового потока, интенсивности активирующего воздействия и др.

элементы установок для ХОГФ:

1) система газораспределения,
2) система подвода энергии в зону осаждения
(в виде тепла или частиц в возбужденных состояниях, получаемых в плазме или за счет фотоактивации),
3) химический реактор,
4) система удаления побочных продуктов реакций.

1) для подготовки парогазовой смеси заданного состава (очистка, смешение);
2) для подачи ее в реакционную камеру в требуемом количестве (транспортировка, регулировка параметров парогазовой смеси).

Газораспределительные системы включают различную аппаратуру:
фильтры (механические и сорбционные),
блоки осушки (сорбционные и диффузионные),
измерители давления (манометры и вакуумметры),
измерители расхода газа (расходомеры)
регуляторы (давления и расхода),
регулирующие вентили и запорные клапаны,
газоанализаторы,
измерители концентрации (газа).

иметь различное аппаратурное оформление (в зависимости от предназначения технологии ХОГФ).

реагента в парообразное состояние используют специальный испаритель (рис. 10), который устанавливают до входа в однокамерный реактор.








Рис. 10. Схема конструкции испарителя, разработанного в СПбПУ

Имеются двухкамерные CVD-реакторы, в которых совмещены в одном изделии зона испарения реагента и зона осаждения. Зона испарения обогревается собственным нагревательным устройством (с системой стабильного поддержания температуры).

Особые конструкции имеют реакторы для осаждения нанопленок на порошкообразные вещества (реакторы «кипящего слоя») и для осаждения нанопокрытий на движущуюся ленту.

синтеза наночастиц:

термическое разложение элементо- и металлоорганических соединений;
химическое осаждение реакциями в газовой фазе;
пламенный синтез;
каталитический пиролиз углеводородов;
плазмохимическое осаждение.

предназначен для получения керамических нанопорошков из металлоорганических прекурсоров и представляет собой модифицированный метод испарения-конденсации.

фазе предназначен для получения нанопорошков металлов, простых и сложных оксидов, а также нитридов.

в газовой фазе химических реакций (1) и (2) используют:
– разнообразные способы нагревания и активирования газовой смеси;
– различные типов реакторов (с плоскими обогреваемыми подложками на «пьедесталах» – неподвижными или вращающимися).

Различают два типа реакторов:
1) реакторы с холодными стенками, работающие при атмосферном давлении;
они имеют высокую химическую эффективность использования реагентов (образования осадка на стенках реактора не происходит); их недостаток – низкая электрическая эффективность (большая потеря тепла через стенку);
2) реакторы с обогреваемыми стенками, работающие при пониженном давлении; они имеют пониженную химическую эффективность (из-за возможности образования осадка на стенках реактора, которая в условиях разряжения при давлении 100 Па может опускаться ниже 10%; их преимущество – высокая электрическая эффективность (при нагревании через стенку теряется меньшая часть тепла).
Реакторы низкого давления широко используют при изготовлении полупроводниковых приборов.

осаждения реакциями в газовой фазе является химическое осаждение с инфильтрацией паров.
В этом случае заранее подготовленную пористую заготовку помещают в рабочую камеру, куда подают реакционную смесь газов и при нагревании проводят реакцию химического осаждения непосредственно в порах заготовки.
Имеются три типа процессов химического осаждения с инфильтрацией паров :
изотермический,
изобарический
со ступенчатым изменением давления.

Метод пламенного синтеза (как разновидность ХОГФ) предназначен для получения нанопорошков тугоплавких оксидов (SiO2, TiO2), а также технического углерода (сажи) и основан на проведении сильноэкзотермических реакций в пламени горючих газообразных компонентов.

Отличительная особенность химического осаждения пламенным синтезом (по сравнению с реакциями в газовой фазе) в том, что исходные реагенты могут быть в любом агрегатном состоянии: газообразными, жидкими и твёрдыми (порошкообразными).

Пламя создают при поджигании газовой смеси газообразного углеводорода (метан, ацетилен) с воздухом или кислородом,
а также – смеси водорода с кислородом или фтором (иногда с хлором):
CH4 + 2O2 → CO2 + 2Н2О,
2С2Н2 + 5O2 → 4СО2 + 2Н2O,

2H2 + O2 → 2H2O,
Н2 + F2 → 2HF.

синтеза
Если один из компонентов горючей газовой смеси, участвующий в создании пламени (O2, СH4), выступает в качестве реагента основной реакции типа (1), то его берут в избытке. Например, для получения наночастиц оксида титана по реакции
TiCl4 + O2 → TiO2 + 2Cl2
с использованием горючей смеси кислорода с метаном, суммарное уравнение процесса будет иным (учитывает продукт реакции горения)
TiC14 + (2n + 1)O2 + nСН4 → TiO2 + 2C12 + 2nH2O.

Размер получаемых наночастиц зависит от времени пребывания их в пламени, развиваемой температуры и точки плавления получаемого вещества. Размер первичных частиц в начале процесса обычно не превышает 10 нм, а в конце – 100 нм.

Наименьший размер частиц нанопродукта (при прочих равных условиях) характерен для тугоплавких веществ.

синтеза
Наиболее масштабные промышленные производства наночастиц в пламени:
синтез технического углерода (сажа, удельная поверхность 90–250 м2/г, размер частиц 10–50 нм, размер агрегатов 200–300 нм):
СН4 + nO2 → C + 2nH2O (смесь газов с водородом, 1000 oC, n ˂ 1);

синтез кремнезема SiO2 («белая сажа», удельная поверхность 50–380 м2/г, размер частиц 5– 50 нм, размер агрегатов 200–300 нм):
Н2SiF6 + nO2 + 2nН2 → SiO2 + 6HF + (2 – 2n )H2O (n ˂ 1).

Производительность установок достигает 1 кг/ч. Главная трудность заключается в выделении получающихся материалов из газового потока.

Преимущества процессов пламенного синтеза наночастиц:
высокая скорость
возможность получения однородных порошков с регулируемыми свойствами.

каталитического пиролиза углеводородов (как разновидность ХОГФ) предназначен для получения углеродных наноструктур (УНТ, УНВ, фуллеренов) и основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности горячего металлического катализатора:







Углеродсодержащую газовую смесь (обычно смесь метана CH4 или ацетилена С2Н2 с аргоном или азотом) пропускают сквозь кварцевую трубу, помещенную в печь при температуре около 900 оС. В трубе находится керамический тигель с катализатором – металлическим порошком Fe:




Разложение углеводорода, происходящее в результате химической реакции атомов газа с атомами металла, приводит к образованию на поверхности катализатора УНТ с внутренним диаметром до 10 нм (и длиной до нескольких десятков микрон).
Геометрические параметры УНТ в существенной степени определяются условиями протекания процесса (время, температура, давление, тип буферного газа), а также степенью дисперсности и сортом катализатора.

пиролиза углеводородов
Имеются установки (рис. 12), в которых катализатор образуется в процессе разложения соли железа (хлорид железа (III) или пентакарбонил железа), входящей в состав реакционной смеси.

Метод каталитического пиролиза углеводородов

В ряде случаев пиролиз углеводородов для синтеза УНТ и УНВ проводят в «реакторах с кипящим слоем» ( с псевдоожиженным и виброожиженным слоем катализатора).

Все разновидности метода синтеза углеродных наноструктур не обеспечивают высокой степени чистоты целевого нанопродукта. Синтезируемый углеродный наноматериал содержит часть шлака – сажу, частицы аморфного графита и частицы металлического катализатора.

Для повышения чистоты целевого нанопродукта используют различные методы очистки – как механические (фильтрация, обработка ультразвуком, центрифугирование), так и химические (промывка в химически активных средах и др.).

(PECVD как разновидность ХОГФ) предназначен для получения нанопорошков и нанопокрытий различных материалов, УНТ и основан на инициировании и стимулировании химических реакций не посредством высоких температур газовой смеси (как в CVD-методе), а посредством перевода газовой смеси в плазменное состояние (создаваемое обычно дуговым разрядом или ВЧ- и СВЧ-разрядом).


Плазменное состояние характеризуется:
высокой температурой легких частиц (электронов и других высокоактивных и высокоэнергетических частиц, генерируемых плазмой, например, ионов и свободных радикалов) и, наоборот,
низкой температурой тяжелых частиц-реагентов (а значит, и низкой температурой подложки при осаждении нанопокрытий).

1. В некоторых случаях для инициирования и стимулирования химических реакций синтеза нанопорошков и нанопленок используют высокотемпературную плазму (Т = 7500–20000 оС), создаваемую с помощью электродуговых плазмотронов постоянного тока (рис. 13).

2. Большинство технологий ПХО
(технологии «стимулированного плазмой химического осаждения») используют низкотемпературную плазму:
Т = 800–7500 оС – для синтеза нанопорошков и
Т = 180–380 оС – для осаждения нанопокрытий на подложку
(т.к. высокоактивные частицы плазмы могут взаимодействовать с исходными реагентами при значительно более низких температурах).

Снижение температуры плазмы обеспечивает:
1) более высокие скорости образования зародышей новой фазы;
2) более низкие скорости их роста (а значит, способствует получению целевого продукта меньшего наноразмера и лучшего качества).

Снижение температуры подложки позволяет:
1) осаждать пленки на любые ранее созданные структуры,
2) устраняет возникновение внутренних механических напряжений в пленках при последующем охлаждении пластин.

В качестве исходных реагентов применяют простые вещества, галогениды металлов и другие соединения. Существует три различных варианта их ввода в плазму: в газообразном виде, в виде диспергированной жидкости (впрыскиваемой с помощью пневматической форсунки), в виде порошка (взвешенного в потоке плазмы).
В качестве плазмообразующего газа используют обычно аргон, азот, аммиак или углеводород.
Формирование целевого нанопродукта (металл, оксид, нитрид, карбид, борид и др.) осуществляют в плазме:
дугового разряда на постоянном токе,
высокочастотного (ВЧ) разряда (1–27 МГц) в газовой среде при низком давлении (0,1–200 Па) или
сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда (2–8 ГГц) в газовой среде при низком давлении (0,1–200 Па).
Иногда для активации процессов ПХО используют микроволновое возбуждение и фотонное возбуждение (УФ- и лазерное).
Выделение целевого нанопродукта производят в зоне охлаждения (при введении в плазмохимический реактор холодного газа или при наличии в реакторе холодной подложки).

Наиболее часто для инициирования и стимулирования химических реакций (синтеза нанопорошков и нанопленок) используют низкотемпературную плазму, создаваемую с помощью ВЧ- и СВЧ генераторов (рис. 14).

синтез обеспечивает высокие скорости образования и конденсации целевого нанопродукта и отличается достаточно высокой производительностью.

2. Различные виды плазмы по-разному влияют на скорость отдельных стадий ПХО (генерация в разряде высокоактивных ионов и свободных радикалов, адсорбция высокоактивных частиц и реагентов на твердой поверхности, диффузионная перегруппировка адсорбированных атомов, химическое взаимодействие адсорбированных частиц, рост осадка, десорбция продуктов реакции с поверхности).

3. Скорости диффузии и десорбции сильно зависят от температуры осаждения: при большей температуре осаждения (при нагреве подложки) получают нанопорошки (нанопленки) с меньшей концентрацией захваченных продуктов реакции, большей плотностью и более однородным составом.

материалов

материалов

материалов

особенности технологий ПХО
1. Характеристики синтезируемого целевого нанопродукта (чистота, дисперсность) существенно зависят от используемого сырья и типа плазмотрона – устройства, в котором генерируется плазма.
1.1. Все технологии ПХО, основанные на переработке исходных газообразных соединений, обеспечивают получение наиболее мелкодисперсных частиц (десятки нанометров) по сравнению с твердыми и жидкими прекурсорами.
1.2. Технологии ПХО с использованием дуговых (электродных) плазмотронов более производительны, однако получаемые с их помощью материалы загрязнены продуктами эрозии электродов.
1.3. Технологии ПХО с использованием безэлектродных (ВЧ- и, особенно, СВЧ-) плазмотронов обеспечивают получение более мелкодисперсных и более чистых наносистем (в т.ч. нанопленок – при условии, когда подложка вынесена из зоны инициирования плазменного разряда и расположена в области послесвечения).

2. Общий недостаток всех технологий ПХО – широкое распределение частиц по размерам (низкая селективность процесса).

ПХО
1. Технология ПХО нанопленок в удаленной плазме

2. Технология ПХО нанопорошков с использованием низкочастотного трансформаторного плазмотрона