Классификация методов синтеза наноматериалов

Август 23, 2022

Главная
Физика
Классификация методов синтеза наноматериалов

Содержание

2. Важнейшие условия синтеза наночастиц Неравновесность систем Высокая химическая однородность Монодисперсность
3. Физические методы синтеза Газофазный синтез Газофазный синтез представляет собой метод, основанный на испарении металла, сплава или
4. Газофазный метод активно используется при получении нанотрубок и фуллеренов. Для синтеза углеродных наноструктур применяют самые разнообразные
5. Механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв Основой механосинтеза является механическая обработка твердых смесей, при которой происходит измельчение
6. Механическое истирание рассматривают как наиболее производительный способ получения больших количеств нанокристаллических порошков различных материалов: металлов, сплавов,
7. Наночастицы некоторых металлов могут быть получены электрическим взрывом при воздействии на металлический проводник импульса большой мощности.
8. Химические методы синтеза Золь-гель метод Традиционно под золь-гель методом понимают совокупность стадий, включающую приготовление раствора прекурсора,
9. Золь-гель метод Популярность классического варианта золь-гель метода связана в первую очередь с тем, что получаемые материалы
10. Гидротермальный и сольвотермальный синтез В основе гидротермального метода синтеза лежит высокая растворимость большого количества неорганических веществ
11. Методы сольвотермального синтеза и синтеза в сверхкритических условиях позволяют получать самые разные типы наноструктур (рис. 4.5),
12. Коллоидные нанореакторы Коллоидные системы можно назвать прямыми предшественниками наносистем. Именно коллоидные растворы наночастиц (например, коллоидные растворы
13. В качестве коллоидных нанореакторов наиболее часто используют обращенные мицеллы, жидкие кристаллы, адсорбционные слои, пленки Лэнгмюра–Блоджетт, микроэмульсии
14. Мицеллы. Типы мицеллярных систем Наиболее часто встречаются коллоидные нанореакторы, формирующиеся благодаря лиофильно/лиофобным (или гидрофильно/гидрофобным) взаимодействиям. Самыми
15. При увеличении концентрации ПАВ мицеллы могут деформироваться и приобретать несферическую форму (рис. 4.7 и 4.8). Структура
16. Синтез в обращенных мицеллах Для химического синтеза наночастиц обычно применяют не прямые, а обращенные мицеллы. В
17. Контроль морфологии наноструктур Напомним, что свойства веществ в нанокристаллическом состоянии во многом определяются размерным фактором, то
18. Поскольку скорость роста частиц зависит от их размера и уменьшается по мере приближения к равновесному значению,
19. Рассмотримв качестве примера рост нанокристаллов CdSe. При низких концентрациях мономера или большой продолжительности роста все нанокристаллы
20. Синтез в микроэмульсиях Микроэмульсии – термодинамически относительно устойчивые, изотропные жидкие коллоидные системы, образующиеся самопроизвольно при смешении
21. Скорость взаимодействия реагентов и размер образующихся частиц определяются частотой столкновения и вероятностью коалесценции микрокапель. Частота столкновения
22. Миниэмульсии Нередко синтез наночастиц проводят в обращенных миниэмульсиях – квазиустойчивых гетерофазных системах, представляющих собой капли водной
23. Для синтеза неорганических наночастиц обычно применяют миниэмульсии, представляющие собой расплавы солей или концентрированные солевые растворы, диспергированные
24. Синтез в полимеризованных мицеллярных структурах. Блоксополимеры Стабилизация мицеллярных систем может быть достигнута также путем полимеризации или
25. Методы разделения наночастиц по размеру Одним из наиболее распространенных методов разделения частиц по размерам является метод
26. Методы разделения наночастиц по размеру Размер частиц монодисперсной системы можно определить по формуле При седиментации полидисперсной
27. Методы разделения наночастиц по размеру Для разделения частиц по размеру можно также использовать метод электрофореза. Он
28. Перспективным подходом к разделению коллоидных растворов наночастиц является использование молекулярных сит. Так, поры мезопористого диоксида кремния
29. Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах Наночастицы в нульмерных нанореакторах Цеолиты Цеолиты – каркасные алюмосиликаты состава Mx
30. Ионообменные свойства цеолитов Внедрение гетероатомов в структуру аморфного SiO2 приводит к появлению отрицательного заряда, что вызывает
31. Использование цеолитов для синтеза нанокомпозитов Цеолиты и подобные им материалы широко используют как ионообменники, селективные адсорбенты,
32. Наночастицы в одномерных нанореакторах Мезопористые молекулярные сита Наиболее распространенным методом синтеза мезопористого SiO2 является темплатный метод.
33. Синтез мезопористых фаз Мезопористый диоксид кремния получают поликонденсацией источника кремния в присутствии темплата, в качестве которого
34. Способы контроля размера пор Диаметр пор мезопористых фаз можно контролировать при синтезе путем варьирования типа используемых
35. Пористый оксид алюминия Пленки пористого оксида алюминия, полученные анодным окислением, интенсивно изучаются в связи с возможностью
36. Синтез пористого оксида алюминия Механизм образования пор включает 4 этапа формирования пористой структуры. В начале окисления
37. Экспериментальная процедура получения пористого оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой включает очистку поверхности алюминия; рекристаллизационный отжиг (увеличение
38. Магнитные наноматериалы на основе пористого оксида алюминия Исследования магнитных материалов на основе пористого оксида алюминия были
39. Наночастицы в двумерных нанореакторах Слоистые двойные гидроксиды Одним из наиболее распространенных двумерных нанореакторов являются слоистые двойные
40. Нанолитография Нанолитография является альтернативой матричному синтезу наноструктурированных материалов и композитов. В настоящее время под «литографией» понимают
41. Принципиальная схема литографии
42. Классификация методов литографии Оптическая литография Электронно-лучевая литография Ионно-лучевая литография Литография без применения излучения (печатная литография).
43. Оптическая литография Оптическая литография получила наиболее широкое распространение ввиду ее широкого использования для изготовления полупроводниковой вычислительной
44. Схема контроля освещенности, проекционная литография Методы оптической литографии также классифицируют по применяемой схеме контроля освещенности: различают
45. Маски микро- и нанолитографии Простейшие маски, используемые в оптической литографии, представляют собой пластину из непрозрачного для
46. Внеосевая литография Помимо использования фазосдвигающих масок и уменьшения длины волны излучения разрешающую способность литографических процессов можно
47. Оптические схемы. Материалы оптических систем Материалы линз и оптических систем обычно подбирают, исходя из величин длин
48. Другая схема проецирования рисунка на подложку основывается на использовании отражающей оптики – системы выпуклых и вогнутых
49. Материалы резистов Непременным атрибутом оптической литографии является наличие резиста. В большинстве случаев в качестве резиста выступают
50. Электронно-лучевая литография В качестве фактора, модифицирующего поверхность подложки или резиста, может быть использован поток заряженных частиц
51. SCALPEL Указанные недостатки можно устранить путем применения специальных рассеивающих масок. В этом случае области маски с
52. Ионно-лучевая литография Альтернативой методу ЭЛЛ является ионно-лучевая литография. Несмотря на более сложную схему генерации и фокусировки
53. Безмасочная литография Методы безмасочной литографии представляют особый интерес для создания прототипов микро- и наноустройств и, главное,
54. Нанооксидирование Альтернативой непосредственному механическому воздействию зондом СЗМ на подложку или нанесенный резист является модификация поверхности с
55. Технологии нанопечати Печатная нанолитография несколько обособлена от других литографических методов из-за принципиально иного подхода получения заданной
56. Метод горячего тиснения Использование вязкотекучих резистов (стекол) позволяет уменьшить давление, прикладываемое к штампу, путем уменьшения вязкости
58. Скачать презентацию

Слайд 2

Важнейшие условия синтеза наночастиц
Неравновесность систем
Высокая химическая однородность
Монодисперсность

Слайд 3

Физические методы синтеза Газофазный синтез
Газофазный синтез представляет собой метод, основанный на испарении

металла, сплава или полупроводника при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи холодной поверхности или непосредственно на ней.

Слайд 4

Газофазный метод активно используется при получении нанотрубок и фуллеренов. Для синтеза

углеродных наноструктур применяют самые разнообразные модификации газофазного синтеза, включая испарение в дуговом разряде, лазерное или плазменное испарение, а также метод каталитического разложения углеводородов.
Размер и фазовый состав получаемых наночастиц определяются как температурой синтеза, так и скоростью подачи прекурсора и расхода газа-носителя (рис. 4.2)

Слайд 5

Механосинтез, детонационный синтез и электровзрыв
Основой механосинтеза является механическая обработка твердых смесей,

при которой происходит измельчение и пластическая деформация веществ. Механическое воздействие при измельчении материалов носит импульсный характер, поэтому возникновение поля напряжений происходит не в течение всего времени пребывания в реакторе, а только в момент соударения частиц.

Слайд 6

Механическое истирание рассматривают как наиболее производительный способ получения больших количеств нанокристаллических

порошков различных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, керамики, композитов.
Для размола и механохимического синтеза применяют барабанные, роликовые, планетарные, шаровые и вибрационные мельницы. Все схемы мельниц основаны на создании кратковременных ударных воздействий на частицы порошка, причем в качестве активных тел могут служить как керамические барабаны, ролики, шары или комплиментарные керамические изделия сложной формы, так и сами частицы порошка. Средний размер получаемых частиц в порошках после помола обычно варьируется от 5 до 200 нм.

Слайд 7

Наночастицы некоторых металлов могут быть получены электрическим взрывом при воздействии на

металлический проводник импульса большой мощности. Этот метод позволяет получать агрегированные нанопорошки с диаметром частиц в интервале от 10 до 100 нм, причем понижение температуры газовой среды ограничивает процессы объединения кластеров. Дисперсность порошка зависит от параметров электрического взрыва и обратно пропорциональна диаметру проводника. Результаты просвечивающей электронной микроскопии нанопорошков показывают, что формируемые наноструктуры обладают ярко выраженной блочной структурой

Слайд 8

Химические методы синтеза Золь-гель метод
Традиционно под золь-гель методом понимают совокупность стадий, включающую

приготовление раствора прекурсора, последовательный перевод его сначала в золь, а затем в гель за счет процессов гидролиза и конденсации, последующее старение, высушивание и термообработку продукта. Однако в последнее время этот термин часто используется для обозначения процессов, в которых отсутствует одна из этих стадий. При образовании золей распределение наночастиц по размерам определяется продолжительностью образования зародышей. Как правило, размер нанокристаллов возрастает с увеличением продолжительности реакции (поскольку к поверхности нанокристалла поступает больше вещества) и с повышением температуры (возрастает скорость роста существующих зародышей.

Слайд 9

Золь-гель метод
Популярность классического варианта золь-гель метода связана в первую очередь с тем,

что получаемые материалы обладают рядом уникальных свойств. Это высокая химическая однородность получаемых продуктов, позволяющая существенно снизить температуру и продолжительность термообработки для получения функциональной керамики, возможность контролировать размер частиц и структуру пор материалов на разных стадиях синтеза. Использование золь-гель метода позволяет получать принципиально новые материалы, такие, как органо-неорганические гибридные материалы, новые виды стекол, керамик и т.д. Одним из наиболее существенных достоинств золь-гель метода является то, что механические свойства золей и гелей позволяют применять их для получения волокон, пленок и композитов путем нанесения золя на подложку или пропитки пористого материала.

Слайд 10

Гидротермальный и сольвотермальный синтез
В основе гидротермального метода синтеза лежит высокая растворимость

большого количества неорганических веществ в воде при повышенных температуре и давлении и возможность последующей кристаллизации растворенного материала из жидкой фазы. Выбор растворителя не ограничивается лишь водой, а включает и другие полярные и неполярные растворители, такие, как толуол, бензол, спирт и т.д. Практически метод реализуется нагревом смеси реагентов в подходящем растворителе в автоклаве. Гидротермальный синтез проводится, как правило, при температурах 100-370 ºС

Слайд 11

Методы сольвотермального синтеза и синтеза в сверхкритических условиях позволяют получать самые

разные типы наноструктур (рис. 4.5), начиная от простых веществ (Ge, Si), оксидов и халькогенидов, таких, как SiO2, TiO2, ZnO, PbS, ZnS, CdS, и заканчивая сложными соединениями (SrFe12O19, LaMnO3, и т.д.) и сложными наноструктурами (цеолиты, мезопористый диоксид кремния и диоксид титана, разд. 4.5.1.1 и 4.5.2.1).

Слайд 12

Коллоидные нанореакторы
Коллоидные системы можно назвать прямыми предшественниками наносистем. Именно коллоидные растворы

наночастиц (например, коллоидные растворы золота – т.н. пурпурное золото) были первыми известными человеку наноструктурами. Они применялись в технологии задолго до открытия поверхностноактивных веществ – основных стабилизаторов коллоидных растворов.

Слайд 13

В качестве коллоидных нанореакторов наиболее часто используют обращенные мицеллы, жидкие кристаллы, адсорбционные слои, пленки Лэнгмюра–Блоджетт, микроэмульсии и т.д.

Слайд 14

Мицеллы. Типы мицеллярных систем
Наиболее часто встречаются коллоидные нанореакторы, формирующиеся благодаря лиофильно/лиофобным

(или гидрофильно/гидрофобным) взаимодействиям.
Самыми яркими амфифильными свойствами обладают молекулы и ионы поверхностно-активных веществ (ПАВ). На одном конце молекулы ПАВ располагаются отрицательно (–SO3 – , –SO4 – , –COO– ) или положительно (–N(CH3)3 + , –N(C2H5)3 + ) заряженные группы, а на другом – длинный неполярный углеводородный радикал.
Попадая в воду, молекулы ПАВ прежде всего заполняют ее поверхность, образуя мономолекулярную пленку. В пленке полярная часть молекулы оказывается погружена в воду, а неполярный гидрофобный радикал находится в воздухе, что приводит к понижению поверхностного натяжения воды (отсюда происходит термин «поверхностно-активные вещества»).

Слайд 15

При увеличении концентрации ПАВ мицеллы могут деформироваться и приобретать несферическую форму

(рис. 4.7 и 4.8). Структура мицелл может быть определена из геометрических параметров молекул ПАВ, таких, как площадь сечения гидрофильного конца α0, объем V и максимальная длина l с алкильного окончания.

Слайд 16

Синтез в обращенных мицеллах
Для химического синтеза наночастиц обычно применяют не прямые,

а обращенные мицеллы. В первую очередь это связано с природой получаемых наночастиц. Так, подавляющее большинство функциональных материалов представлено металлическими, ионными, полярными или поляризуемыми соединениями, хорошо сольватируемыми водой.
В целом методы синтеза наночастиц с использованием обращенных мицелл могут быть разделены на две группы. Первая из них основана на смешении двух типов обращенных мицелл, содержащих необходимые реагенты. Из-за коалесценции обращенных мицелл происходит обмен материала в каплях, реакция и образование наночастиц в ядрах мицелл.
В основе второго метода лежит реакция между веществом, растворенным в лиофильной среде, и веществом, заключенным в обращенной мицелле.

Слайд 17

Контроль морфологии наноструктур
Напомним, что свойства веществ в нанокристаллическом состоянии во многом

определяются размерным фактором, то есть пространственным ограничением электронной плотности физической поверхностью кристаллита.
При формировании наночастиц в обращенных мицеллах каждой концентрации реагентов и, соответственно, степени пересыщения образовавшегося продукта (мономера) соответствует определенный критический размер наночастиц. С термодинамической точки зрения при этом размере частицы в растворе находятся в “седловинной точке” фазовой кривой. Все кристаллы, имеющие меньший размер, будут растворяться. Зародыши крупнее критического размера будут по мере роста уменьшать свободную энергию и формировать устойчивые частицы.

Слайд 18

Поскольку скорость роста частиц зависит от их размера и уменьшается по

мере приближения к равновесному значению, то возможна фокусировка распределения частиц по размерам при достаточной степени пересыщения раствора.

Слайд 19

Рассмотримв качестве примера рост нанокристаллов CdSe. При низких концентрациях мономера или

большой продолжительности роста все нанокристаллы растут в форме, обеспечивающей минимальную свободную энергию, т.е. в форме сфер. С другой стороны, средняя концентрация мономера позволяет получать анизотропные сильно вытянутые эллипсоидальные частицы. При высокой концентрации мономера образуются палочки и протяженные структуры. Если концентрация мономера в растворе очень высока, то раствор обеспечен существенным количеством мономера для каждого направления роста в структуре сфалерита, и в результате получаются наночастицы, имеющие форму тетрапода

Слайд 20

Синтез в микроэмульсиях
Микроэмульсии – термодинамически относительно устойчивые, изотропные жидкие коллоидные системы,

образующиеся самопроизвольно при смешении двух жидкостей с ограниченной взаимной растворимостью (например, вода и масло) и стабилизованные межфазной пленкой поверхностно-активного вещества. От обращенных мицелл микроэмульсии отличаются большим размером капель (диаметр которых может достигать 100 нм).
Наиболее простой подход к синтезу наночастиц в микроэмульсиях заключается в диспергировании водной фазы, содержащей невзаимодействующие при обычных условиях реагенты, в неполярнойжидкости, содержащей ПАВ, до получения стабильной эмульсии.

Слайд 21

Скорость взаимодействия реагентов и размер образующихся частиц определяются частотой столкновения и

вероятностью коалесценции микрокапель. Частота столкновения капель, в свою очередь, зависит от скорости диффузии диспергированной фазы в углеводородной среде, тогда как процесс обмена определяется взаимодействием адсорбционных слоев ПАВ и гибкостью межфазной поверхности.

Слайд 22

Миниэмульсии
Нередко синтез наночастиц проводят в обращенных миниэмульсиях – квазиустойчивых гетерофазных системах,

представляющих собой капли водной фазы, диспергированные в неполярной жидкой (дисперсионной) среде. Для получения стабильных миниэмульсий необходимо избегать деградации системы, которая может произойти в результате диффузии и коалесценции капель с последующим расслоением системы.
Для получения стабильных миниэмульсий обычно используют ультразвуковое разбиение системы «масло-вода»

Слайд 23

Для синтеза неорганических наночастиц обычно применяют миниэмульсии, представляющие собой расплавы солей

или концентрированные солевые растворы, диспергированные в углеводородах или маслах. Повышенная по сравнению с органическими системами и водой склонность таких систем к когезии требует более тщательного выбора стабилизаторов. Было показано, что наиболее удобно в качестве стабилизаторов в подобных случаях использовать блок-сополимеры с полиэтиленоксидной функциональной группой. Выбор соли для диспергирования определяется низкой температурой конгруэнтного плавления (250 – 300 °С), что соответствует максимальной температуре нагревания гидрофобной фазы.

Слайд 24

Синтез в полимеризованных мицеллярных структурах. Блоксополимеры
Стабилизация мицеллярных систем может быть достигнута

также путем полимеризации или ковалентного связывания молекул, образующих стенки нанореактора. Для этого используют липиды с функциональными группами, способными к полимеризации. В результате отдельные молекулы липидов оказываются связаны ковалентными связями, что значительно стабилизирует оболочку микрокапсулы.

Слайд 25

Методы разделения наночастиц по размеру
Одним из наиболее распространенных методов разделения частиц

по размерам является метод седиментации. Он основан на различной скорости оседания частиц разного размера в поле силы тяжести. Согласно формуле Стокса скорость оседания частиц υ пропорциональна квадрату их радиуса:

Слайд 26

Методы разделения наночастиц по размеру
Размер частиц монодисперсной системы можно определить по формуле
При седиментации полидисперсной

системы частицы разных радиусов оседают независимо друг от друга и движутся с определенной для каждого радиуса скоростью υ(r), то есть скорость накопления осадка постоянно изменяется

Слайд 27

Методы разделения наночастиц по размеру
Для разделения частиц по размеру можно также использовать метод электрофореза.

Он аналогичен методу седиментации, однако из-за более высоких полей, в которых проводится осаждение наночастиц (в роли потенциальной силы выступают электростатические силы), можно определить размер более мелких наночастиц и обеспечить более высокую селективность.
Третьим методом, используемым для разделения полидисперсных систем с диаметром наночастиц 1–100 нм, является метод размерно-селективного осаждения. Он позволяет отделять частицы с разницей в диаметрах до 1,5 Å и таким образом получать однородные, практически монодисперсные коллоидные растворы. Идея метода заключается в постепенном уменьшении сродства молекул поверхностного слоя частицы к растворителю.

Слайд 28

Перспективным подходом к разделению коллоидных растворов наночастиц является использование молекулярных сит.

Так, поры мезопористого диоксида кремния (MCM) имеют крайне низкую дисперсию по размеру, а их диаметр можно легко варьировать в ходе синтеза в интервале от 2 до 50 нм, что делает эти системы крайне привлекательными для реализации размерноселективной адсорбции наночастиц. Принцип разделения частиц основан на адсорбции наночастиц определенного размера (равного размеру пор матрицы) из коллоидного раствора, тогда как частицы больших размеров остаются в маточном растворе

Слайд 29

Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах Наночастицы в нульмерных нанореакторах Цеолиты
Цеолиты – каркасные алюмосиликаты

состава Mx i M y ii(Alx+2ySiz O2x+4y+2z)*nH2O, где Mi и Mii – ионы щелочных или щелочноземельных металлов, находящиеся в полостях цеолита. Природные цеолиты включают около 30 минералов, а к настоящему моменту синтезировано и описано более 150 типов цеолитов. Трехмерная структура цеолитов состоит из тетраэдров TO4 (T = Si или Al), соединенных вершинами.

Слайд 30

Ионообменные свойства цеолитов
Внедрение гетероатомов в структуру аморфного SiO2 приводит к появлению

отрицательного заряда, что вызывает усиление свойств группы Si–OH–M как кислоты Бренстеда.
Внедрение гетероатомов в структуру аморфного SiO2 приводит к появлению отрицательного заряда, что вызывает усиление свойств группы Si–OH–M как кислоты Бренстеда.
Предполагается, что для гомологичных серий цеолитов существует корреляция кислотных свойств и природы внедренных в структуру атомов

Слайд 31

Использование цеолитов для синтеза нанокомпозитов
Цеолиты и подобные им материалы широко используют

как ионообменники, селективные адсорбенты, катализаторы и носители катализаторов. Применение цеолитов не ограничивается производством химических реактивов и топливной индустрией (рафинирование, крекинг, изомеризация, алкилирование и очистка нефтепродуктов).
Перспективной областью применения цеолитов является получение нанокомпозиционных материалов для последующего использования в катализе.

Слайд 32

Наночастицы в одномерных нанореакторах Мезопористые молекулярные сита
Наиболее распространенным методом синтеза мезопористого SiO2

является темплатный метод. Темплат, или шаблон, служит центром, вокруг которого организуются основные структурные единицы матрицы и формируется каркас. Удаление темплата приводит к образованию полости, повторяющей форму и размер органического шаблона. Точность «отпечатка» после удаления шаблона зависит от нескольких факторов: природы взаимодействия «шаблон - матрица», способности матрицы принимать очертания шаблона, относительных размеров шаблона и структурных единиц матрицы.

Слайд 33

Синтез мезопористых фаз
Мезопористый диоксид кремния получают поликонденсацией источника кремния в присутствии

темплата, в качестве которого могут выступать различные молекулы. К числу параметров, влияющих на процесс гелеобразования, относятся рН раствора, концентрации темплата и источника кремния, температура, тип катализа и т.д.
В качестве источников кремния, как правило, используют тетраметоксисилан или тетраэтоксисилан, реже – силикат натрия.
Альтернативным методом получения мезопористого диоксида кремния является гидротермальный синтез. Реакционную смесь, содержащую водный раствор ПАВ и аморфный диоксид кремния, подвергают гидротермальной обработке при температуре порядка 150°С в течение продолжительного времени. В результате происходит растворение диоксида кремния и перестройка его структуры, сопровождающаяся образованием мезофазы вокруг мицелл ПАВ.

Слайд 34

Способы контроля размера пор
Диаметр пор мезопористых фаз можно контролировать при синтезе

путем варьирования типа используемых реагентов и условий синтеза

Слайд 35

Пористый оксид алюминия
Пленки пористого оксида алюминия, полученные анодным окислением, интенсивно изучаются

в связи с возможностью их использования в качестве шаблонов при формировании нанокомпозитов. Структура таких пленок может быть представлена как система упорядоченных пор с плотнейшей гексагональной упаковкой

Слайд 36

Синтез пористого оксида алюминия
Механизм образования пор включает 4 этапа формирования пористой

структуры. В начале окисления поверхность алюминия покрывается пленкой непроводящего оксида алюминия (Ω = 1010 – 1012 Ом·см) барьерного типа. При этом напряженность электрического поля оказывается неравномерной по всей поверхности образца, а локализация силовых линий на точках поверхности, максимально близких к проводящей подложке алюминия, приводит к усиленному растворению формирующегося оксида в этих местах за счет увеличения электрического поля и/или локального разогрева. Однако ввиду конкуренции соседних точек стока заряда не все зародившиеся поры в дальнейшем продолжают свой рост, что в конечном итоге приводит к равновесию, соответствующему равномерному росту пор.

Слайд 37

Экспериментальная процедура получения пористого оксида алюминия с высокоупорядоченной структурой включает очистку

поверхности алюминия; рекристаллизационный отжиг (увеличение размера зерна алюминия приводит к увеличению размеров областей упорядочения в пористой пленке); механическую или электрохимическую полировку; первое окисление в течение длительного времени для формирования упорядоченной структуры пор на нижней границе пленки); селективное травление пленки, в результате которого на поверхности металла остается периодический рельеф, реплицирующий структуру пор; повторное анодное окисление (при тех же условиях, что и анодирование на первой стадии).

Слайд 38

Магнитные наноматериалы на основе пористого оксида алюминия
Исследования магнитных материалов на основе

пористого оксида алюминия были начаты четверть века назад. Их главной целью было создание магнитных устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью записи.
Для быстрого и равномерного роста частиц в матрице пористого оксида алюминия осаждение металлов проводят в импульсном режиме, тогда как при осаждении постоянным током могут возникать пробои двойного электрического слоя, образующегося на нижней границе пор, что приводит к образованию крупных частиц на поверхности матрицы.

Слайд 39

Наночастицы в двумерных нанореакторах Слоистые двойные гидроксиды
Одним из наиболее распространенных двумерных нанореакторов

являются слоистые двойные гидроксиды (СДГ), которые представляют собой соединения практически любые катионы в степенях окисления +2 и +3. Помимо металлов в степенях окисления +2 и +3 слоистую структуру формируют двойные гидроксиды лития(I) и циркония(IV), титана(IV), олова(IV), кремния(IV). Как правило, для формирования слоистой структуры радиусы катионов M 2+ и M 3+ не должны отличаться больше, чем в полтора раза.
Основной метод синтеза СДГ состоит в соосаждении гидроксидов из растворов солей M 2+ и M 3+ щелочью при контролируемом значении рН. Для получения СДГ с определенными анионами в межслоевом пространстве соосаждение можно проводить в присутствии этих анионов в исходном растворе.

Слайд 40

Нанолитография
Нанолитография является альтернативой матричному синтезу наноструктурированных материалов и композитов. В настоящее

время под «литографией» понимают метод подготовки поверхности путем использования некоторого шаблона, который определяет структуру конечного объекта, или же непосредственной ее модификации направленным локальным воздействием.
Технологическая схема литографических устройств для создания нано- и микроструктур включает источник излучения, оптическую систему, позволяющую cформировать нерасходящийся пучок, маску, оптическую фокусирующую систему и подложку с нанесенным фоторезистом

Слайд 41

Принципиальная схема литографии

Слайд 42

Классификация методов литографии
Оптическая литография
Электронно-лучевая литография
Ионно-лучевая литография
Литография без применения излучения (печатная литография).

Слайд 43

Оптическая литография
Оптическая литография получила наиболее широкое распространение ввиду ее широкого использования

для изготовления полупроводниковой вычислительной техники. Этот метод основывается на облучении резиста квантами света с длиной волны от 1 до ~1000 нм.

Слайд 44

Схема контроля освещенности, проекционная литография
Методы оптической литографии также классифицируют по применяемой

схеме контроля освещенности: различают схемы с различным взаимным расположением маски и резиста, а также схемы проецирования с использованием дополнительных оптических систем. Таким образом, выделяют схемы контактной, бесконтактной и проекционной литографии
В первом случае маска непосредственно контактирует с резистом
Во втором случае схеме рисунок отображается на резист не путем затенения подложки маской, а непосредственно проектируется на него с помощью фокусирующей оптической системы.

Слайд 45

Маски микро- и нанолитографии
Простейшие маски, используемые в оптической литографии, представляют собой

пластину из непрозрачного для используемого диапазона длин волн материала, в которой «прорезан» прообраз наносимого рисунка, определяющий области подложки, подвергаемые экспонированию. Однако при уменьшении линейных размеров рисунка большую роль начинают играть эффекты рассеяния излучения на границах раздела фаз, что приводит к необходимости учета этих явлений на стадии создания шаблона. Например, для нанесения отображения на резисте в форме квадрата на маске необходимо сформировать дополнительные прорези в его вершинах.

Слайд 46

Внеосевая литография
Помимо использования фазосдвигающих масок и уменьшения длины волны излучения разрешающую

способность литографических процессов можно увеличить с помощью внеосевого освещения. Этот метод широко известен как способ увеличения контраста в оптических микроскопах. В обычных схемах вследствие дифракции при прохождении щели маски формируется расходящийся пучок, причем только не изменившие направления кванты несут информацию о ее реальной структуре.

Слайд 47

Оптические схемы. Материалы оптических систем
Материалы линз и оптических систем обычно подбирают,

исходя из величин длин волн используемого излучения и общей геометрии установки. Существуют две принципиально различные схемы проекционной оптической литографии. Первая схема основана на применении преломляющей оптики – путь луча и его фокусировка определяются системой линз. При такой схеме луч проходит сквозь маску и линзы, что может заметно сказаться на интенсивности излучения. Этот метод требует тщательного подбора материала линз, прозрачных в диапазоне используемых длин волн.

Слайд 48

Другая схема проецирования рисунка на подложку основывается на использовании отражающей оптики

– системы выпуклых и вогнутых зеркальных поверхностей. В этом случае возможно использование отражающих масок, часть поверхности которых эффективно рассеивает (редко – поглощает) излучение. Тогда области с высокой отражающей способностью соответствуют освещенным участкам поверхности, а с низкой – затемненным.

Слайд 49

Материалы резистов
Непременным атрибутом оптической литографии является наличие резиста. В большинстве случаев

в качестве резиста выступают полимеры, претерпевающие изменения под действием света.
Необходимым условием получения высокого контраста с помощью подбора резиста является резкий скачок растворимости в зависимости от времени/ интенсивности освещения участка.

Слайд 50

Электронно-лучевая литография
В качестве фактора, модифицирующего поверхность подложки или резиста, может быть

использован поток заряженных частиц – электронов или ионов. Общая схема установок проекционной электронно-лучевой литографии включает источник электронов, электростатические линзы, формирующие нерасходящийся пучок, маску и подложку, свободно перемещаемую в плоскости, перпендикулярной направлению пучка
Основными преимуществами метода электронно-лучевой литографии является высокая разрешающая способность (~1 нм) и возможность варьировать энергию элементарных частиц в широких пределах. Так, поток электронов может быть легко сфокусирован в пучок с размером “пятна” менее нанометра, а ускоряющее напряжение может достигать сотен кВ.

Слайд 51

SCALPEL
Указанные недостатки можно устранить путем применения специальных рассеивающих масок. В этом

случае области маски с высокой рассеивающей способностью соответствуют затемненным участкам поверхности, а области, не рассеивающие электронный пучок, – освещенным участкам. Избыточный фон, образованный рассеянными электронами, можно исключить, расположив диафрагму в фокальной плоскости собирающей линзы (рис. 4,82а)

Слайд 52

Ионно-лучевая литография
Альтернативой методу ЭЛЛ является ионно-лучевая литография. Несмотря на более сложную

схему генерации и фокусировки ионного пучка, а также его меньшую интенсивность, этот метод обладает несомненным преимуществом по сравнению с электронно-лучевой литографией ввиду малой глубины проникновения ионов в резист и практически полного отсутствия генерации вторичных ионов.
В настоящее время проекционная ионно-лучевая литография позволяет достигать разрешения до 50 нм. Поскольку такое разрешение не является теоретическим пределом метода, а дальнейшее его увеличение связано в основном со сложностью технической реализации, предполагается, что в ближайшем будущем минимальные размеры получаемых структур будут планомерно уменьшаться

Слайд 53

Безмасочная литография
Методы безмасочной литографии представляют особый интерес для создания прототипов микро-

и наноустройств и, главное, масок для классической литографии. Эти методы не требуют заранее подготовленного «шаблона», а структура поверхности подложки полностью определяется программой, управляющей процессом модификации поверхности. Специфика метода состоит в последовательном «прорисовывании» каждого элемента, аналогично письму пером по бумаге.
Методы безмасочной литографии можно условно разделить по типу воздействия на резист:
воздействие потоком заряженных частиц (электронов или ионов)
механическое воздействие (зонд атомно-силового микроскопа)
пространственно ограниченное химическое воздействие (локальное окисление подложек с помощью зонда сканирующей туннельной микроскопии).

Слайд 54

Нанооксидирование
Альтернативой непосредственному механическому воздействию зондом СЗМ на подложку или нанесенный резист

является модификация поверхности с помощью электрических импульсов. Это становится возможным благодаря приложению разности потенциалов между зондом и проводящей подложкой. В результате такого воздействия, изменяя потенциал, можно направленно менять структуру и химический состав поверхности. Примеромподобного воздействия на подложку может служить «рисунок», полученный анодным окислением пленки аморфного титана с помощью СЗМ

Слайд 55

Технологии нанопечати
Печатная нанолитография несколько обособлена от других литографических методов из-за принципиально

иного подхода получения заданной структуры на поверхности материала. Этот метод наиболее близок к классической литографии ввиду непосредственного контакта маски и модифицируемой поверхности. В отличие от методов проекционной литографии в печатной нанолитографии рисунок переносится на поверхность с помощью твердого штампа, а образующаяся структура задается механическими деформациями.

Слайд 56

Метод горячего тиснения
Использование вязкотекучих резистов (стекол) позволяет уменьшить давление, прикладываемое к

штампу, путем уменьшения вязкости материала с повышением температуры обработки. Для размягчения резиста обычно используют температуру, несколько превышающую температуру стеклования (обычно на 20-50°). В этом случае резист превращается в вязкую жидкость, растекающуюся под давлением. Сам процесс печати ведут под давлением 40-150 бар. В качестве резиста обычно используют материалы с малым коэффициентом термического расширения и низкой сжимаемостью. Толщина слоя резиста обычно составляет 50-250 нм.

Классификация методов синтеза наноматериалов

Содержание

Важнейшие условия синтеза наночастиц Неравновесность систем Высокая химическая однородность Монодисперсность

Физические методы синтеза Газофазный синтезГазофазный синтез представляет собой метод, основанный на испарении

Газофазный метод активно используется при получении нанотрубок и фуллеренов. Для синтеза

Механосинтез, детонационный синтез и электровзрывОсновой механосинтеза является механическая обработка твердых смесей,

Механическое истирание рассматривают как наиболее производительный способ получения больших количеств нанокристаллических

Наночастицы некоторых металлов могут быть получены электрическим взрывом при воздействии на

Химические методы синтеза Золь-гель метод Традиционно под золь-гель методом понимают совокупность стадий, включающую

Золь-гель методПопулярность классического варианта золь-гель метода связана в первую очередь с тем,

Гидротермальный и сольвотермальный синтезВ основе гидротермального метода синтеза лежит высокая растворимость

Методы сольвотермального синтеза и синтеза в сверхкритических условиях позволяют получать самые

Коллоидные нанореакторыКоллоидные системы можно назвать прямыми предшественниками наносистем. Именно коллоидные растворы

Мицеллы. Типы мицеллярных системНаиболее часто встречаются коллоидные нанореакторы, формирующиеся благодаря лиофильно/лиофобным

При увеличении концентрации ПАВ мицеллы могут деформироваться и приобретать несферическую форму

Синтез в обращенных мицеллахДля химического синтеза наночастиц обычно применяют не прямые,

Контроль морфологии наноструктурНапомним, что свойства веществ в нанокристаллическом состоянии во многом

Поскольку скорость роста частиц зависит от их размера и уменьшается по

Рассмотримв качестве примера рост нанокристаллов CdSe. При низких концентрациях мономера или

Синтез в микроэмульсияхМикроэмульсии – термодинамически относительно устойчивые, изотропные жидкие коллоидные системы,

Скорость взаимодействия реагентов и размер образующихся частиц определяются частотой столкновения и

МиниэмульсииНередко синтез наночастиц проводят в обращенных миниэмульсиях – квазиустойчивых гетерофазных системах,

Для синтеза неорганических наночастиц обычно применяют миниэмульсии, представляющие собой расплавы солей

Синтез в полимеризованных мицеллярных структурах. БлоксополимерыСтабилизация мицеллярных систем может быть достигнута

Методы разделения наночастиц по размеруОдним из наиболее распространенных методов разделения частиц

Методы разделения наночастиц по размеруРазмер частиц монодисперсной системы можно определить по формулеПри седиментации полидисперсной

Методы разделения наночастиц по размеруДля разделения частиц по размеру можно также использовать метод электрофореза.

Перспективным подходом к разделению коллоидных растворов наночастиц является использование молекулярных сит.

Синтез наночастиц в упорядоченных матрицах Наночастицы в нульмерных нанореакторах ЦеолитыЦеолиты – каркасные алюмосиликаты

Ионообменные свойства цеолитовВнедрение гетероатомов в структуру аморфного SiO2 приводит к появлению

Использование цеолитов для синтеза нанокомпозитовЦеолиты и подобные им материалы широко используют

Наночастицы в одномерных нанореакторах Мезопористые молекулярные ситаНаиболее распространенным методом синтеза мезопористого SiO2

Синтез мезопористых фазМезопористый диоксид кремния получают поликонденсацией источника кремния в присутствии

Способы контроля размера порДиаметр пор мезопористых фаз можно контролировать при синтезе

Пористый оксид алюминияПленки пористого оксида алюминия, полученные анодным окислением, интенсивно изучаются

Синтез пористого оксида алюминияМеханизм образования пор включает 4 этапа формирования пористой