RU2412108C2 - Method to produce nanoparticles and device for its realisation - Google Patents

Method to produce nanoparticles and device for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2412108C2
RU2412108C2 RU2009102170/02A RU2009102170A RU2412108C2 RU 2412108 C2 RU2412108 C2 RU 2412108C2 RU 2009102170/02 A RU2009102170/02 A RU 2009102170/02A RU 2009102170 A RU2009102170 A RU 2009102170A RU 2412108 C2 RU2412108 C2 RU 2412108C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
microdrops
nanoparticles
cathode
electron
Prior art date
Application number
RU2009102170/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009102170A (en
Inventor
Владимир Михайлович Кожевин (RU)
Владимир Михайлович Кожевин
Максим Вадимович Горохов (RU)
Максим Вадимович Горохов
Сергей Александрович Гуревич (RU)
Сергей Александрович Гуревич
Денис Алексеевич Явсин (RU)
Денис Алексеевич Явсин
Игорь Александрович Кузьмин (RU)
Игорь Александрович Кузьмин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ИНКАТТЕК"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ИНКАТТЕК" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ИНКАТТЕК"
Priority to RU2009102170/02A priority Critical patent/RU2412108C2/en
Publication of RU2009102170A publication Critical patent/RU2009102170A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2412108C2 publication Critical patent/RU2412108C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: nanotechnologies.
SUBSTANCE: invention relates to methods and devices to produce particles of nanometre size, to create sensor, electronic and optoelectronic instruments and highly selective solid-state catalysts. Melted material is dispersed. Produced liquid microdrops of this material are sent into flow of electrons to recharge microdrops to condition, when their cascade division starts to produce nanoparticles applied onto substrate. At the same time parametres of electrons flow and time of liquid drops stay in it comply with certain ratios. Proposed device comprises the following components arranged in vacuum chamber and installed coaxially - unit of microdrops flow formation with cathode and anide, unit of microdrops recharging and unit of nanoparticles deposition with disk cathode with central hole, anode and substrate installed on anode. At the same time unit of microdrops flow formation is installed with axial gap relative to unit of microdops recharging, around which a circular control electrode is installed, connected to controlled source of voltage. Additionally unit of microdrops flow formation comprises dielectric disk with central hole, in circular slot of which there is a circular cathode installed, and anode is arranged in the form of metal needle, being the first anode. And unit of microdrops recharging comprises dielectric vessel in the form of round hollow cylinder with central end holes, where the first round cylindrical cathode and the first round cylindrical metal net, being the second anode, are installed, between which the first emitter of electrons is installed.
EFFECT: invention provides for formation of nanostructure from nanoparticles of smaller size and with narrower dispersion.
15 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам получения частиц нанометрового размера, которые находят применение в различных отраслях науки и техники, в частности, металлические наноструктуры рассматриваются в качестве перспективного материала для создания новых сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов, а также при разработке новых типов высокоселективных твердотельных катализаторов.The invention relates to methods and devices for producing nanometer-sized particles that are used in various fields of science and technology, in particular, metal nanostructures are considered as a promising material for creating new sensor, electronic and optoelectronic devices, as well as in the development of new types of highly selective solid-state catalysts .

Наноструктуры, имеющие поверхностную плотность частиц порядка 1012 см-2, перспективны для создания эффективных приборов наноэлектроники, таких как сверхбыстрые переключатели или сверхкомпактные ячейки памяти (К.-H.Yoo, J.W.Park, J.Kirn, K.S.Park, J.J.Lee and J.B.Choi. Appt. Phys. Lett., 1999, v.74 (14), p.2073).Nanostructures with a surface density of particles of the order of 10 12 cm -2 are promising for the creation of efficient nanoelectronic devices, such as ultrafast switches or ultracompact memory cells (K.-H.Yoo, JWPark, J.Kirn, KSPark, JJLee and JBChoi. Appt. Phys. Lett., 1999, v. 74 (14), p. 2073).

Так, при формировании плотноупакованных наноструктур с размером гранул ~ 4 нм возможно создание устройств памяти с плотностью записи информации ~ 1011 бит/см2 (F.Pikus and Likharev. Appl. Phys. Lett., 1997, v.71, p.3661; Y.Naveh and Likharev. Superlattices and Microstructures 2000, v.27, p.1). В предельном варианте уменьшение размера гранул до величины ~ 1 нм приводит к возрастанию плотности записи информации до 1012 бит/см2.So, when forming close-packed nanostructures with a granule size of ~ 4 nm, it is possible to create memory devices with an information recording density of ~ 10 11 bit / cm 2 (F. Picus and Likharev. Appl. Phys. Lett., 1997, v. 71, p. 3666 ; Y. Naveh and Likharev. Superlattices and Microstructures 2000, v. 27, p. 1). In the extreme case, reducing the size of the granules to ~ 1 nm leads to an increase in the recording density of information to 10 12 bit / cm 2 .

Также интенсивно развивается новое направление в каталитической химии - гетерогенный катализ на наноструктурированных материалах (П.С.Воронцов, Е.И.Григорьев, С.А.Завьялов, Л.М.Завьялова, Т.Н.Ростовщикова, О.В.Загорская. Хим. Физика, 2002, т.21, стр.1). Большинство исследуемых в лабораториях и применяемых в технологии катализаторов содержат наночастицы, т.е. частицы, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нм. Фундаментальное отличие наночастиц от объемных материалов заключается в том, что в них доля поверхностных атомов соизмерима с числом атомов в объеме, а радиус кривизны поверхности сопоставим с постоянной решетки. Общепринято, что именно эти особенности обеспечивают высокую каталитическую активность наноструктурированных катализаторов по сравнению с их аналогами на основе объемных материалов. Для целого ряда важных практических применений наиболее перспективными являются катализаторы на основе металлических наноструктур, содержащие наночастицы Cu, Pt, Pd, Ni, Fe, Co и других металлов.A new direction in catalytic chemistry is also developing intensively - heterogeneous catalysis on nanostructured materials (P.S. Vorontsov, E.I. Grigoriev, S.A. Zavyalov, L.M. Zavyalova, T.N. Rostovschikova, O.V. Zagorskaya Chem. Physics, 2002, v.21, p. 1). Most of the catalysts studied in laboratories and used in technology contain nanoparticles, i.e. particles whose size lies in the range of 1-100 nm. The fundamental difference between nanoparticles and bulk materials is that in them the fraction of surface atoms is comparable with the number of atoms in the volume, and the radius of curvature of the surface is comparable to the lattice constant. It is generally accepted that precisely these features provide a high catalytic activity of nanostructured catalysts in comparison with their analogues based on bulk materials. For a number of important practical applications, the most promising are catalysts based on metal nanostructures containing nanoparticles of Cu, Pt, Pd, Ni, Fe, Co, and other metals.

Известные способы и устройства для получения наночастиц различных материалов можно разделить на две большие группы: в первой наночастицы образуются в результате объединения атомов (или более сложных радикалов и молекул), во второй - в результате диспергирования объемных материалов.Known methods and devices for producing nanoparticles of various materials can be divided into two large groups: in the first, nanoparticles are formed as a result of combining atoms (or more complex radicals and molecules), in the second - as a result of dispersion of bulk materials.

Известны многочисленные способы и устройства, основанные на объединении атомов (радикалов, молекул) в наночастицы, включая, например, термическое испарение и конденсацию (см. S.Tohno, M.ltoh, S.Aono, H.Takano, J. Colloid Interface Sci. - 1996, v.180, p.574), ионное распыление (см. патент US №5879827, МПК Н01М 04/36, опубликован 09.03.1999), восстановление из растворов (см. патент US №6090858; МПК С09K 03/00, опубликован 18.07.2000), восстановление в микроэмульсиях (см. H.Herrig, R.Hempelmann, Mater. Lett. - 1996, v.27, p.287).Numerous methods and devices are known based on combining atoms (radicals, molecules) into nanoparticles, including, for example, thermal evaporation and condensation (see S. Tohno, M. ltoh, S. Aono, H. Takano, J. Colloid Interface Sci . - 1996, v.180, p.574), ion sputtering (see US patent No. 5879827, IPC H01M 04/36, published 09.03.1999), recovery from solutions (see US patent No. 6090858; IPC C09K 03 / 00, published July 18, 2000), recovery in microemulsions (see H. Herrig, R. Hempelmann, Mater. Lett. - 1996, v. 27, p. 287).

Известен способ получения наночастиц платиновых металлов с железом, в частности наночастиц Fe-Pt, Fe-Pd (см. заявка RU №2007106183, МПК B22F 9/14, опубликована 27.08.2008), в котором для получения частиц определенного состава и размера используют сплав железа и платиновых металлов. Сплав электрохимически растворяют при значении анодного потенциала ниже потенциала растворения микроучастков платиновых металлов в кристаллической решетке сплава и получают наночастицы в виде нерастворенного осадка - анодного шлама.A known method of producing nanoparticles of platinum metals with iron, in particular Fe-Pt, Fe-Pd nanoparticles (see application RU No. 2007106183, IPC B22F 9/14, published on 08.27.2008), in which an alloy is used to obtain particles of a certain composition and size iron and platinum metals. The alloy is electrochemically dissolved at an anode potential lower than the dissolution potential of platinum metal microareas in the crystal lattice of the alloy and nanoparticles are obtained in the form of an undissolved precipitate — anode sludge.

Следует отметить, что получаемые наночастицы имеют кристаллическую структуру и также коагулируют при соприкосновении, что ограничивает возможности применения изготавливаемых структур.It should be noted that the resulting nanoparticles have a crystalline structure and also coagulate upon contact, which limits the applicability of the fabricated structures.

Известно устройство для получения микрочастиц (см. патент US №7252814, МПК С01В 17/20, опубликован 07.08.2007), содержащее реакционную камеру с входным патрубком для подачи реагента и выходным патрубком для выхода получаемых кристаллических наночастиц. В камере размещен нагреватель для создания градиента температуры вдоль реакционной камеры, а также источник оптического излучения, создающий градиент интенсивности излучения вдоль реакционной камеры.A device for producing microparticles is known (see US patent No. 7252814, IPC СВВ 17/20, published 07.08.2007) containing a reaction chamber with an inlet pipe for supplying a reagent and an outlet pipe for outputting the resulting crystalline nanoparticles. A heater is placed in the chamber to create a temperature gradient along the reaction chamber, as well as an optical radiation source that creates a radiation intensity gradient along the reaction chamber.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют кристаллическую структуру и также коагулируют при соприкосновении.Nanoparticles obtained using a known device have a crystalline structure and also coagulate upon contact.

Известен способ получения микроволокон из алмазных наночастиц (см патент RU №2244680, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, опубликован 20.01.2005), по которому навеску ультрадисперсных алмазов со средним размером частиц 4 нм загружают в пресс-форму, прессуют в таблетку. Спрессованную таблетку используют в качестве мишени, которую помещают в вакуумную камеру. После вакуумирования камеры вводят буферный газ. Мишень охлаждают до -100°С и выдерживают до увеличения массы в 2,0-4,0 раза от начальной массы. На электроды вакуумной камеры подают постоянное напряжение. Мишень облучают импульсным лазерным излучением с мощностью, вызывающей нагрев частиц наноалмаза не более чем до 900°С. Распыляемый материал мишени образует микроволокна между электродами. Для уменьшения хрупкости микроволокон в камеру сразу после воздействия лазерного излучения подают пары полимера неионогенного типа, например поливинилового спирта, поливинилбутираля, полиакриламида, до давления 10-2-10-4 атм. Полученные микроволокна имеют алмазную структуру, стабильны после хранения в течение месяца, доля неалмазной фазы не превышает 6,22%.A known method of producing microfibers from diamond nanoparticles (see patent RU No. 2244680, IPC C01B 31/06, B82B 3/00, published January 20, 2005), in which a sample of ultrafine diamonds with an average particle size of 4 nm is loaded into a mold, pressed into a pill. A compressed tablet is used as a target, which is placed in a vacuum chamber. After evacuation of the chamber, buffer gas is introduced. The target is cooled to -100 ° C and maintained until the mass increases by 2.0-4.0 times from the initial mass. A constant voltage is applied to the electrodes of the vacuum chamber. The target is irradiated with pulsed laser radiation with a power that causes the heating of the nanodiamond particles to no more than 900 ° C. The sprayed target material forms microfibers between the electrodes. To reduce the brittleness of microfibers, non-ionic type polymer vapors, such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polyacrylamide, are fed into the chamber immediately after exposure to laser radiation to a pressure of 10 -2 -10 -4 atm. The resulting microfibers have a diamond structure, are stable after storage for a month, and the fraction of the non-diamond phase does not exceed 6.22%.

Однако данный способ не предназначен для формирования металлических наночастиц, что существенно ограничивает возможности его применения.However, this method is not intended for the formation of metal nanoparticles, which significantly limits the possibilities of its application.

Известно устройство для получения микроволокон из алмазных наночастиц (см патент RU №2244680, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, опубликован 20.01.2005), содержащее импульсный He-Ne лазер, вакуумную камеру, заполненную буферным газом до давления 0,5 атм и снабженную оптическими окнами для ввода лазерного луча и наблюдения за ростом нитей с помощью внешнего оптического микроскопа. В камере смонтирована мишень на держателе, снабженном системой охлаждения до криогенных температур. Ось лазерного луча была перпендикулярна поверхности мишени. На расстоянии от мишени в камере расположено два металлических электрода по обе стороны оси лазерного луча и параллельно ему для создания электрического поля напряженностью 100-1000 В/см. После вакуумирования камеры в нее напускали углекислый газ до давления 0,5 атм.A device for producing microfibers from diamond nanoparticles is known (see patent RU No. 2244680, IPC СВВ 31/06, В82В 3/00, published January 20, 2005), containing a pulsed He-Ne laser, a vacuum chamber filled with buffer gas to a pressure of 0.5 atm and equipped with optical windows for inputting a laser beam and observing the growth of filaments using an external optical microscope. In the chamber, the target is mounted on a holder equipped with a cooling system to cryogenic temperatures. The axis of the laser beam was perpendicular to the surface of the target. At a distance from the target in the chamber there are two metal electrodes on both sides of the axis of the laser beam and parallel to it to create an electric field with a strength of 100-1000 V / cm. After evacuation of the chamber, carbon dioxide was injected into it to a pressure of 0.5 atm.

Известное устройство имеет ограниченную область применения.The known device has a limited scope.

Известен способ получения стеклянных наночастиц (см. заявка РСТ WO2008118536, МПК С03В 23/04, опубликована 02.10.2008), в котором стеклянная мишень облучается импульсно периодическим лазером с короткой длиной импульса в газе при атмосферном давлении или в жидкостной ячейке. Наночастицы, образовавшиеся в процессе лазерной абляции, осаждаются на подложку.A known method of producing glass nanoparticles (see PCT application WO2008118536, IPC C03B 23/04, published 02.10.2008), in which a glass target is irradiated by a pulsed periodic laser with a short pulse length in a gas at atmospheric pressure or in a liquid cell. Nanoparticles formed during laser ablation are deposited on a substrate.

Потенциальная привлекательность сформированных наноструктур определяется их повышенной эмиссионной способностью, однако широкая дисперсия размеров получаемых наночастиц и отсутствие возможности производства металлических наночастиц обуславливают узкий спектр возможных применений метода.The potential attractiveness of the formed nanostructures is determined by their increased emissivity, however, the wide dispersion of the sizes of the resulting nanoparticles and the inability to produce metal nanoparticles determine a narrow range of possible applications of the method.

Известно устройство для получения стеклянных наночастиц (см. заявка РСТ WO 2008118536, МПК С03В 23/04, опубликована 02.10.2008), содержащее импульсный лазер, стеклянную мишень и подложку, на которую осаждаются получаемые наночастицы.A device for producing glass nanoparticles is known (see PCT application WO 2008118536, IPC С03В 23/04, published October 2, 2008), containing a pulsed laser, a glass target, and a substrate on which the resulting nanoparticles are deposited.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют широкий разброс размеров. К тому же устройство позволяет получать частицы из ограниченного числа материалов.Nanoparticles obtained using a known device have a wide range of sizes. In addition, the device allows to obtain particles from a limited number of materials.

Известен способ получения наночастиц (см. патент RU №2242532, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 20.12.2004), включающий диспергирование расплавленного материала, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, образованную в инертном газе при давлении 10-1-10-4 Па, охлаждение в инертном газе образовавшихся в плазме жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на носитель, при этом параметры плазмы удовлетворяют определенным соотношениям. Диспергирование расплавленного материала и подачу полученных жидких капель в плазму осуществляют лазерной абляцией мишени или приложением электрического поля к острийному катоду из проводящего материала. Радиус кривизны острия выбирается не более 10 мкм, а напряженность электрического поля на вершине острия не менее 107 В/см.A known method of producing nanoparticles (see patent RU No. 2242532, IPC C23C 4/00, B01J 2/02, published December 20, 2004), comprising dispersing the molten material, feeding the resulting liquid droplets of this material into a plasma formed in an inert gas at a pressure of 10 -1 -10 -4 Pa, cooling in an inert gas of liquid nanoparticles formed in the plasma to solidify and applying the resulting solid nanoparticles to the carrier, while the plasma parameters satisfy certain ratios. The dispersion of the molten material and the delivery of the obtained liquid droplets into the plasma is carried out by laser ablation of the target or by applying an electric field to the tip cathode of the conductive material. The radius of curvature of the tip is selected no more than 10 μm, and the electric field strength at the tip of the tip is not less than 10 7 V / cm.

Структуры, фабрикуемые известным способом, характеризуются уникальными электрическими, магнитными и каталитическими свойствами. Однако невысокая производительность способа и высокая стоимость используемого оборудования существенно ограничивают возможности промышленного применения метода.Structures fabricated in a known manner are characterized by unique electrical, magnetic and catalytic properties. However, the low productivity of the method and the high cost of the equipment used significantly limit the possibilities of industrial application of the method.

Известно устройство для получения наночастиц (см. патент RU №2242532, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 20.12.2004), включающий заполненную инертным газом камеру, в которой размещены острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки.A device for producing nanoparticles is known (see patent RU No. 2242532, IPC С23С 4/00, B01J 2/02, published December 20, 2004), including a chamber filled with an inert gas, in which a tip cathode, an anode with a hole, a cathode with a hole and ring anode on which the substrate is fixed.

При подаче соответствующей разности потенциалов между острийным катодом и анодом с поверхности катода вылетают расплавленные капли, которые, пролетая через область плазмы, делятся, образуя наночастицы и более крупные, чем наночастицы, капли.When an appropriate potential difference is applied between the tip cathode and the anode, molten droplets fly out from the surface of the cathode, which, flying through the plasma region, divide, forming nanoparticles and larger droplets than nanoparticles.

Известен способ получения наночастиц (см. патент RU №2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 27.11.2005), в соответствии с которым диспергируют материал путем приложения к острийному катоду из проводящего материала с радиусом кривизны острия не более 10 мкм электрического поля с напряженностью поля на вершине острия не менее 107 В/см и подают полученные жидкие капли этого материала в плазму электрического разряда с длительностью импульса не менее 10 мкс. Плазму создают в инертном газе при давлении 10-3-10-1 Па между электродами при разности потенциалов не менее 2 кВ и одновременно воздействуют магнитным полем напряженностью не менее 600 Гс, нормальным к упомянутому электрическому полю, создающему плазму. Далее охлаждают в инертном газе образовавшиеся в плазме жидкие наночастицы до затвердевания и наносят полученные твердые наночастицы на носитель. Параметры плазмы удовлетворяют заданным соотношениям.A known method of producing nanoparticles (see patent RU No. 2265076, IPC С23С 4/00, B01J 2/02, published November 27, 2005), in accordance with which the material is dispersed by applying to the tip cathode of a conductive material with a radius of curvature of the tip of not more than 10 μm of an electric field with a field strength at the tip tip of at least 10 7 V / cm and the resulting liquid droplets of this material are fed into an electric discharge plasma with a pulse duration of at least 10 μs. The plasma is created in an inert gas at a pressure of 10 -3 -10 -1 Pa between the electrodes with a potential difference of at least 2 kV and is simultaneously exposed to a magnetic field of at least 600 Gs normal to the mentioned electric field creating the plasma. Next, the liquid nanoparticles formed in the plasma are cooled in an inert gas until solidified and the resulting solid nanoparticles are applied to the carrier. The plasma parameters satisfy the given relations.

Преимущества этого способа по сравнению со способом, в котором капли заряжаются в плазме лазерного факела, состоит в существенном увеличении производительности метода и снижении стоимости используемого оборудования. В то же время для осуществления эффективного преобразования исходного материала в наноструктурированное состояние необходимо осуществлять согласования вакуумных условий в камере формирования плазмы и в источнике капель. По этой причине не все способы диспергирования исходного материала могут быть использованы, что накладывает ограничения на выбор исходных материалов. Например, возникают трудности при работе с тугоплавкими металлами, для которых наиболее привлекательным является использование метода электрогидродинамическго распыления, требующего создания в камере высокого вакуума.The advantages of this method compared to the method in which droplets are charged in a plasma of a laser torch is a significant increase in the productivity of the method and a decrease in the cost of the equipment used. At the same time, in order to effectively transform the starting material into a nanostructured state, it is necessary to coordinate the vacuum conditions in the plasma formation chamber and in the droplet source. For this reason, not all methods of dispersing the starting material can be used, which imposes restrictions on the choice of starting materials. For example, difficulties arise when working with refractory metals, for which the most attractive is the use of electrohydrodynamic spraying, which requires the creation of a high vacuum in the chamber.

Известна установка для получения наночастиц (см. патент RU №2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 27.11.2005), которая включает вакуумную камеру, в которой размещены: острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки, а также блок, создающий магнитное поле. Камера заполнена инертным газом при давлении 10-3-10-1 Па.A known installation for producing nanoparticles (see patent RU No. 2265076, IPC С23С 4/00, B01J 2/02, published November 27, 2005), which includes a vacuum chamber in which are placed: tip cathode, anode with a hole, cathode with a hole and a ring anode on which the substrates are fixed, as well as a block that creates a magnetic field. The chamber is filled with an inert gas at a pressure of 10 −3 −10 −1 Pa.

Известная установка не позволяет распылять тугоплавкие материалы, требуется согласование вакуумных условий в камере формирования плазмы и в источнике капель.The known installation does not allow spraying refractory materials, coordination of vacuum conditions in the plasma forming chamber and in the source of droplets is required.

Известен способ получения наночастиц, совпадающий с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип (см. М.В.Горохов, В.М.Кожевин, С.А.Гуревич, Д.А.Явсин, ЖТФ 2008, том 78, вып. 9, стр.46). Способ-прототип включает диспергирование расплавленного материала с помощью электрогидродинамического источника с электронно-лучевым плавлением поверхности острия металлического анода, подачу полученных жидких капель этого материала в электронное облако, охлаждение в инертном газе образовавшихся при прохождении электронного облака жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на подложку. Были обнаружены режимы, в которых происходило формирование наночастиц размером 20-30 нм. Анализ процессов, происходящих в способе-прототипе, показал, что наночастицы формируются в результате каскадного деления исходных металлических капель микронного размера, эмитируемых с поверхности анода под действием электрического поля. Было также показано, что деление исходных капель происходит при пролете этих капель через сфокусированный у поверхности анода электронный пучок. Отсутствие наночастиц меньшего размера указывает на то, что процесс дозарядки частиц в металлической камере практически не работает.A known method of producing nanoparticles that matches the claimed technical solution for the largest number of essential features and adopted as a prototype (see M.V. Gorokhov, V.M. Kozhevin, S.A. Gurevich, D.A. Yavsin, ZhTF 2008, vol. 78, issue 9, p. 46). The prototype method includes dispersing the molten material using an electrohydrodynamic source with electron beam melting of the tip surface of the metal anode, feeding the obtained liquid droplets of this material into the electron cloud, cooling the liquid nanoparticles formed during the passage of the electron cloud and solidifying the obtained solid nanoparticles on the substrate. Modes were discovered in which the formation of nanoparticles with a size of 20-30 nm occurred. An analysis of the processes occurring in the prototype method showed that nanoparticles are formed as a result of cascade fission of the initial micron-sized metal droplets emitted from the surface of the anode under the influence of an electric field. It was also shown that the fission of the initial droplets occurs when these droplets pass through an electron beam focused at the surface of the anode. The absence of smaller nanoparticles indicates that the process of recharging particles in a metal chamber practically does not work.

Известно устройство для получения наночастиц, совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип (см. М.В.Горохов, В.М.Кожевин, С.А.Гуревич, Д.А.Явсин, ЖТФ 2008, том 78, вып. 9, стр.46). Устройство содержит установку для получения наночастиц (см. фиг.1), состоит из трех узлов: узла формирования потока микрокапель, узла дозарядки микрокапель и узла осаждения наночастиц. Узел формирования потока микрокапель включает металлическую иглу, являющуюся анодом, и кольцевой катод с центральным отверстием. Узел дозарядки микрокапель включает металлический заземленный корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, обеспечивающими выход потока электронов и прохождение генерируемых наночастиц. Узел осаждения наночастиц включает подложку. В корпусе установлен эмиттер электронов, который выполнен в виде вольфрамовых спиралей, подключенных к источнику тока.A device for producing nanoparticles is known, which coincides with the claimed technical solution for the largest number of essential features and is taken as a prototype (see M.V. Gorokhov, V.M. Kozhevin, S.A. Gurevich, D.A. Yavsin, ZhTF 2008, Volume 78, Issue 9, p. 46). The device comprises an apparatus for producing nanoparticles (see FIG. 1), consists of three nodes: a microdrop droplet forming unit, a micro droplet recharging unit, and a nanoparticle deposition unit. The microdroplet flow forming unit includes a metal needle, which is an anode, and an annular cathode with a central hole. The microdroplet reloading unit includes a metal grounded casing in the form of a hollow round cylinder with central end openings providing an exit of an electron flow and passage of generated nanoparticles. The nanoparticle deposition site includes a substrate. An electron emitter is installed in the housing, which is made in the form of tungsten spirals connected to a current source.

В устройстве-прототипе деление исходных капель происходит при пролете этих капель через сфокусированный у поверхности анода электронный пучок, поэтому устройство позволяет получать частицы размером не менее 20-30 нм.In the prototype device, the division of the initial droplets occurs when these droplets pass through an electron beam focused at the surface of the anode, so the device allows to obtain particles with a size of at least 20-30 nm.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого способа получения наночастиц и устройства для его осуществления, которые бы позволили формировать наноструктуры из наночастиц меньшего размера и с более узкой дисперсией размеров, чем получаемые способом-прототипом.The objective of the invention is the development of such a method for producing nanoparticles and a device for its implementation, which would allow the formation of nanostructures from nanoparticles of smaller size and with a narrower dispersion of sizes than obtained by the prototype method.

Поставленная задача решается группой изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом.The problem is solved by a group of inventions, united by a single inventive concept.

В части способа поставленная задача решается тем, что способ получения наночастиц включает диспергирование расплавленного материала, подачу образовавшихся жидких микрокапель этого материала в поток электронов для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, с получением наночастиц и нанесение получаемых наночастиц на подложку. Для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем выбирают из следующих соотношений:In terms of the method, the task is solved in that the method of producing nanoparticles involves dispersing the molten material, feeding the formed liquid microdrops of this material into the electron stream to recharge the microdrops to the state where their cascade fission begins, to obtain nanoparticles and applying the resulting nanoparticles to the substrate. To recharge microdrops to the state in which their cascade division begins, the parameters of the electron flow and the residence time of the liquid microdrops in it are selected from the following relationships:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где: r - радиус заряжаемых жидких капель, м;where: r is the radius of the charged liquid droplets, m;

Е - средняя энергия электронов, Дж;E is the average electron energy, J;

n - плотность потока электронов, м-3;n is the electron flux density, m -3 ;

τ - время зарядки капель, с;τ is the droplet charging time, s;

σ - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемого материала при температуре его плавления, Н/м;σ is the coefficient of surface tension of the dispersible material at its melting temperature, N / m;

е - заряд электрона, Кл;e is the electron charge, C;

ε0 - электрическая постоянная, Ф/м;ε 0 is the electric constant, f / m;

me - масса электрона, кг.m e is the mass of the electron, kg.

Диспергирование расплавленного материала можно осуществлять любым известным способом, например, с помощью электронно-лучевого плавления поверхности острия металлического анода, в котором напряженность электрического поля на вершине острия анода поддерживается на уровне не менее 107 В/см. Также можно осуществлять диспергирование расплавленного материала, используя процесс лазерной абляции мишени из любого материала, который можно перевести в жидкое состояние.The dispersion of the molten material can be carried out by any known method, for example, by electron beam melting of the surface of the tip of a metal anode, in which the electric field strength at the top of the tip of the anode is maintained at a level of at least 10 7 V / cm. It is also possible to disperse the molten material using the laser ablation of the target from any material that can be transferred to a liquid state.

Повышение эффективности заявляемого способа по сравнению с прототипом достигается увеличением энергии электронов при одновременном выполнении условия достаточной плотности потока электронов и времени нахождения в нем заряжаемых жидких капель для обеспечения возможности заряжения капель до состояния, в котором начинается их каскадное деление.Improving the efficiency of the proposed method compared to the prototype is achieved by increasing the electron energy while satisfying the conditions of sufficient electron flux density and the residence time of the charged liquid droplets in it to enable droplets to be charged to the state in which their cascade division begins.

В части устройства задача решается тем, что устройство для получения наночастиц содержит размещенные в вакуумной камере и установленные соосно узел формирования потока микрокапель с катодом и анодом, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц с дисковым катодом с центральным отверстием, анодом и подложкой, установленной на аноде. Узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель, вокруг которого установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения. Узел формирования потока микрокапель дополнительно содержит диэлектрический диск с центральным отверстием, в кольцевом пазе которого установлен кольцевой катод, а анод выполнен в виде металлической иглы, являющейся первым анодом. Узел дозарядки микрокапель содержит диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов.In terms of the device, the problem is solved in that the device for producing nanoparticles contains a microdroplet with a cathode and anode arranged in a vacuum chamber and coaxially mounted, a microdroplet recharger and a nanoparticle deposition unit with a disk cathode with a central hole, anode and substrate mounted on the anode . The micro-droplet flow forming unit is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit, around which an annular control electrode is mounted connected to an adjustable voltage source. The microdroplet flow forming unit further comprises a dielectric disk with a central hole, in the annular groove of which an annular cathode is installed, and the anode is made in the form of a metal needle, which is the first anode. The microdroplet recharging unit comprises a dielectric body in the form of a hollow circular cylinder with central end openings, in which a first circular cylindrical cathode and a first circular cylindrical metal grid are installed, which is the second anode, between which the first electron emitter is placed.

В устройстве анод узла осаждения наночастиц может быть выполнен в виде диска, кольца или тора.In the device, the anode of the nanoparticle deposition unit can be made in the form of a disk, ring or torus.

Узел дозарядки микрокапель может включать второй круглый цилиндрический катод и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов, установленные за первым эмиттером электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой.The microdroplet recharging unit may include a second round cylindrical cathode and a second round cylindrical metal grid, which is the fourth anode, between which there is a second electron emitter installed behind the first electron emitter and separated from it by an annular dielectric partition.

Как первый, так и второй эмиттеры электронов могут быть выполнены в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.Both the first and second electron emitters can be made in the form of a tungsten filament placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source.

В устройстве диэлектрический диск, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод могут иметь одинаковые радиусы отверстий.In the device, the dielectric disk, the dielectric body, the annular dielectric partition and the disk cathode can have the same radius of the holes.

Управляющий электрод может быть выполнен в виде кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью или в виде полого усеченного конуса.The control electrode can be made in the form of a ring with a cylindrical or concave inner surface or in the form of a hollow truncated cone.

Сущность изобретения заключается в том, что, в отличие от известного способа-прототипа, параметры потока электронов, в который осуществляется транспортировка жидких микрокапель, выбирают исходя из требования одновременного выполнения условий (1)-(2), обеспечивающих каскадное деление всех инжектируемых в поток электронов исходных жидких микрокапель материала. Выполнение этих условий позволяет воспроизводимо формировать монодисперсные структуры, состоящие из аморфных наночастиц с варьируемой, в том числе и предельно высокой, плотностью упаковки, при этом достигается эффективное преобразование исходного материала в наночастицы. При реализации заявляемого способа плотность и среднюю энергию электронов выбирают, исходя из условия (1). При выводе условия (1), предполагающего заряжение исходных микрокапель до порога капиллярной неустойчивости Рэлея (А.И.Григорьев, С.О.Ширяева, ЖТФ, 1991 т.61, вып.3, стр.19), заряд микрокапель вычислялся с использованием зависимости потенциала микрокапель, находящихся в электронном облаке, от средней энергии электронов с учетом процесса автоэлектронной эмиссии с поверхности микрокапли (см. Элинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М.: Физматгиз, 1958).The essence of the invention lies in the fact that, in contrast to the known prototype method, the parameters of the electron flow into which liquid microdrops are transported are selected based on the requirement of the simultaneous fulfillment of conditions (1) - (2), ensuring cascade fission of all electrons injected into the stream source liquid microdrops of material. The fulfillment of these conditions makes it possible to reproducibly form monodisperse structures consisting of amorphous nanoparticles with a variable, including extremely high, packing density, and efficient conversion of the starting material into nanoparticles is achieved. When implementing the proposed method, the density and average electron energy are selected based on condition (1). When condition (1) was derived, which implies charging the initial microdrops to the threshold of Rayleigh capillary instability (A.I. Grigoriev, S.O. Shiryaeva, ZhTF, 1991 vol. 61, issue 3, p. 19), the charge of the microdrops was calculated using the dependence of the potential of microdrops located in the electron cloud on the average electron energy, taking into account the process of field emission from the surface of a microdrop (see Elinson MI, Vasiliev GF Field emission. M: Fizmatgiz, 1958).

Важно также, что выражение (1) справедливо только в случае, когда исходные жидкие микрокапли находятся в потоке электронов в течение достаточно длительного времени, за которое достигается их стационарное зарядовое состояние. Стационарное состояние достигается, если выполняется условие (2), которое означает, что время пролета микрокапель через объем, занимаемый потоком электронов, больше времени их зарядки до плавающего потенциала. Если условие (2) не выполнено, то исходные микрокапли не успеют зарядиться за время нахождения в потоке электронов, и их деление не произойдет. Таким образом, требование совместного выполнения условий (1) и (2) является существенным отличием от способа-прототипа, которое обеспечивает вовлечение в процесс деления всех исходных микрокапель материала, подаваемых в поток электронов.It is also important that expression (1) is valid only in the case when the initial liquid microdrops are in the electron flow for a sufficiently long time, during which their stationary charge state is reached. The stationary state is achieved if condition (2) is fulfilled, which means that the time of flight of microdrops through the volume occupied by the electron flow is longer than their charging to a floating potential. If condition (2) is not fulfilled, then the initial microdrops will not have time to charge during the time spent in the electron flow, and their division will not occur. Thus, the requirement of the joint fulfillment of conditions (1) and (2) is a significant difference from the prototype method, which ensures the involvement in the process of division of all the original microdroplets of the material supplied to the electron stream.

Заявляемый способ получения наночастиц иллюстрируется чертежом, где:The inventive method for producing nanoparticles is illustrated in the drawing, where:

на фиг.1 изображена схема установки, реализующая заявляемый способ получения наночастиц, с одним эмиттером электронов;figure 1 shows a diagram of an installation that implements the inventive method of producing nanoparticles, with one emitter of electrons;

на фиг.2 показана схема установки с двумя эмиттерами электронов;figure 2 shows a diagram of an installation with two electron emitters;

на фиг.3 изображена схема эмиттера электронов.figure 3 shows a diagram of an electron emitter.

Устройство для получения наночастиц (см. фиг.1) состоит из трех узлов: узла 1 формирования потока микрокапель, узла 2 дозарядки микрокапель и узла 3 осаждения наночастиц. Узел 1 формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла 2 дозарядки микрокапель. Сборка узлов 1, 2, 3 помещается в вакуумную камеру (на чертеже не показана), давление в которой не превышает 10-3 Па. Узел 1 формирования потока микрокапель состоит из металлической иглы 4, являющейся анодом, и кольцевого катода 5, вставленного в кольцевой паз диэлектрического диска 6 с центральным отверстием 7. Узел 2 дозарядки микрокапель представляет собой диэлектрический корпус 8 в виде полого круглого цилиндра, в который вставлен первый полый круглый цилиндрический катод 9, а также первый эмиттер 10 электронов и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка 11, являющаяся вторым анодом. Внутренний радиус полого круглого цилиндрического катода 9 больше радиуса сетки 11, эмиттер 10 расположен между катодом 9 и металлической сеткой 11. В торцах диэлектрического корпуса 8 имеются центральные отверстия 12. Узел 3 осаждения наночастиц состоит из дискового катода 13 с центральным отверстием 14, третьего анода 15 в виде, например, диска и подложки 16, установленной на третьем аноде 15. Радиусы отверстий 7, 12, 14, соответственно диэлектрического диска 6, диэлектрического корпуса 8 и дискового катода 13 предпочтительно выполняют одинаковыми и равными R, длина кожуха равна L. Узлы 1, 2, 3 собирают соосно. Вокруг зазора между узлом 1 формирования потока микрокапель и узлом 2 дозарядки микрокапель установлен управляющий электрод 17, подключенный к регулируемому источнику 18 напряжения. Управляющий электрод 17 может иметь форму кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью. Управляющий электрод 17 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса, обращенного большим основанием к металлической игле 4. Металлическая игла 4, сетка 11 и третий анод 15 подключены соответственно к первому источнику напряжения 19, ко второму источнику напряжения 20 и к третьему источнику напряжения 21. Первый эмиттер 10 электронов выполнен (см. фиг.3) в виде фольфрамовой нити 22, в виде спирали из фольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику 23 тока. Узел 2 дозарядки микрокапель может включать (см. фиг.2) второй круглый цилиндрический катод 24 и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку 25, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер 26 электронов, размещенные за первым эмиттером 10 электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой 27. Вторая металлическая сетка 25 подключена к четвертому источнику напряжения 28. Добавление второго цилиндрического катода 24, второй цилиндрической сетки 25 и второго эмиттера электронов 26 предназначено для осуществления контроля точки пространства, в которой происходит деление капель. Перемещение этой точки в область отверстия 14 приводит к повышению воспроизводимости и производительности процесса. С целью отделения получаемых наночастиц от более крупных остатков недоделившихся микрокапель третий анод 15 может быть выполнен в виде кольца или тора. Такое выполнение третьего анода 15 позволяет уменьшить дисперсию размеров наночастиц в формируемых структурах.A device for producing nanoparticles (see Fig. 1) consists of three nodes: node 1 for forming a droplet flow, node 2 for recharging microdrops and node 3 for nanoparticle deposition. The micro-droplet flow forming unit 1 is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit 2. The assembly of nodes 1, 2, 3 is placed in a vacuum chamber (not shown in the drawing), the pressure in which does not exceed 10 -3 Pa. The microdroplet flow forming unit 1 consists of a metal needle 4, which is the anode, and an annular cathode 5 inserted into the annular groove of the dielectric disk 6 with a central hole 7. The microdroplet recharging unit 2 is a dielectric body 8 in the form of a hollow circular cylinder, into which the first a hollow circular cylindrical cathode 9, as well as a first electron emitter 10 and a first circular cylindrical metal grid 11, which is the second anode. The inner radius of the hollow circular cylindrical cathode 9 is greater than the radius of the grid 11, the emitter 10 is located between the cathode 9 and the metal grid 11. At the ends of the dielectric housing 8 there are central holes 12. The nanoparticle deposition unit 3 consists of a disk cathode 13 with a central hole 14, of the third anode 15 in the form of, for example, a disk and a substrate 16 mounted on the third anode 15. The radii of the holes 7, 12, 14, respectively of the dielectric disk 6, the dielectric body 8 and the disk cathode 13 are preferably the same and different GOVERNMENTAL R, casing length is L. The nodes 1, 2, 3 coaxially collected. Around the gap between the micro-droplet flow forming unit 1 and the micro-droplet recharging unit 2, a control electrode 17 is connected to an adjustable voltage source 18. The control electrode 17 may be in the form of a ring with a cylindrical or concave inner surface. The control electrode 17 can be made in the form of a hollow truncated cone, facing a large base to the metal needle 4. The metal needle 4, the grid 11 and the third anode 15 are connected respectively to the first voltage source 19, to the second voltage source 20 and to the third voltage source 21. The first electron emitter 10 is made (see figure 3) in the form of a tungsten filament 22, in the form of a spiral of tungsten filament placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source 23. The microdroplet recharging unit 2 may include (see FIG. 2) a second round cylindrical cathode 24 and a second round cylindrical metal grid 25, which is the fourth anode, between which a second electron emitter 26 is placed, located behind the first electron emitter 10 and separated from it by a ring dielectric the partition 27. The second metal grid 25 is connected to the fourth voltage source 28. Adding a second cylindrical cathode 24, a second cylindrical grid 25 and a second electron emitter 26 is intended for monitoring the point in space at which the division of the drops occurs. Moving this point to the area of the hole 14 leads to increased reproducibility and productivity of the process. In order to separate the resulting nanoparticles from larger residues of unfinished microdrops, the third anode 15 can be made in the form of a ring or a torus. This embodiment of the third anode 15 makes it possible to reduce the dispersion of nanoparticle sizes in the structures formed.

Заявляемый способ получения наночастиц осуществляют следующим образом. Расплавленный материал, из которого необходимо получить наночастицы, в узле 1 формирования потока микрокапель диспергируют любым известным способом (например, с помощью электрогидродинамического распыления). Полученные жидкие микрокапли этого материала заряжают в узле 2 дозарядки микрокапель потоком высокоэнергетичных электронов до предела, при котором микрокапли начинают делиться. Образовавшиеся при делении микрокапель наночастицы осаждают на подложку 16, в качестве которой может быть применен любой твердый материал. Как установили авторы, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем должны удовлетворять соотношениям:The inventive method for producing nanoparticles is as follows. The molten material from which it is necessary to obtain nanoparticles is dispersed in the microdroplet flow forming unit 1 by any known method (for example, by electrohydrodynamic spraying). The obtained liquid microdroplets of this material are charged in the micro-droplet recharging unit 2 by a stream of high-energy electrons to the limit at which the microdroplets begin to divide. The nanoparticles formed during microdroplet division are deposited on a substrate 16, which can be any solid material. As the authors established, the parameters of the electron flow and the residence time of liquid microdrops in it must satisfy the relations:

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

В случае применения способа электрогидродинамического распыления острийного анода разность потенциалов между металлической иглой 4 и кольцевом катодом 5 в узле 1 формирования потока микрокапель U0, должна удовлетворять соотношениюIn the case of applying the method of electrohydrodynamic sputtering of the tip anode, the potential difference between the metal needle 4 and the ring cathode 5 in the node 1 of the formation of the flow of microdrops U 0 must satisfy the ratio

Figure 00000005
Figure 00000005

где rc - внешний радиус дискового катода 5, м;where r c is the outer radius of the disk cathode 5, m;

ra - радиус металлической иглы 4, м;r a is the radius of the metal needle 4, m;

L0 - расстояние от конца металлической иглы 4 до плоскости дискового катода 5, м.L 0 is the distance from the end of the metal needle 4 to the plane of the disk cathode 5, m

Разность потенциалов U между цилиндрическим катодом 9 и цилиндрической металлической сеткой 11 в узле 2 дозарядки микрокапель выбирается в соответствии с требованием формулы (1) заявляемого способа и должна удовлетворять соотношениюThe potential difference U between the cylindrical cathode 9 and the cylindrical metal mesh 11 in the micro-droplet recharging unit 2 is selected in accordance with the requirement of the formula (1) of the proposed method and must satisfy the ratio

Figure 00000006
Figure 00000006

ток эмиссии электронов в узле 2 дозарядки микрокапель I, А, выбирается в соответствии с требованием формулы (2) заявляемого способа и должен удовлетворять соотношениюthe emission current of electrons in the node 2 recharging microdrops I, A, is selected in accordance with the requirement of formula (2) of the proposed method and must satisfy the ratio

Figure 00000007
Figure 00000007

Разность U1 потенциалов между дисковым катодом 13 и кольцевым анодом 15 в узле 3 осаждения наночастиц должна удовлетворять соотношениюThe potential difference U 1 between the disk cathode 13 and the ring anode 15 in the node 3 of the deposition of nanoparticles must satisfy the ratio

Figure 00000008
Figure 00000008

где L1 - расстояние от плоскости дискового катода 13 до плоскости кольцевого фокусирующего анода 15, м;where L 1 is the distance from the plane of the disk cathode 13 to the plane of the annular focusing anode 15, m;

4·104 - коэффициент пропорциональности, В/м.4 · 10 4 - proportionality coefficient, V / m.

Разность потенциалов между дисковым катодом 5 и регулирующим кольцевым анодом 17 подбирается таким образом, чтобы ток, протекающий через металлическую иглу 4, удовлетворял соотношениюThe potential difference between the disk cathode 5 and the regulating ring anode 17 is selected so that the current flowing through the metal needle 4, satisfies the ratio

Figure 00000009
Figure 00000009

где χ - теплопроводность материала, Вт/(м·K)where χ is the thermal conductivity of the material, W / (m · K)

Tm - температура плавления проводящего материала, K;T m is the melting temperature of the conductive material, K;

4,5·10-8 - коэффициент пропорциональности, Вт/(м2·K4).4,5 · 10 -8 is the coefficient of proportionality, W / (m 2 · K 4 ).

При добавлении второго цилиндрического катода 24, второй цилиндрической сетки 25 и второго эмиттера электронов 26 разность потенциалов U между цилиндрическим катодом 9 и цилиндрической металлической сеткой 11 уменьшается до величиныWhen a second cylindrical cathode 24, a second cylindrical grid 25 and a second electron emitter 26 are added, the potential difference U between the cylindrical cathode 9 and the cylindrical metal grid 11 decreases to

Figure 00000010
Figure 00000010

а разность потенциалов U2 между вторым цилиндрическим катодом 24 и второй цилиндрической металлической сеткой 25 выбирается равнойand the potential difference U 2 between the second cylindrical cathode 24 and the second cylindrical metal grid 25 is chosen equal

Figure 00000011
Figure 00000011

Пример. Была осуществлена реализация способа получения наночастиц меди из микрокапель, заряжаемых потоком высокоэнергетичных электронов. В этом случае микрокапли создавались методом электрогидродинамическго распыления медного острийного катода толщиной 300 мкм. Электронный поток создавался в камере дозарядки микрокапель при ускорении электронов, эмитируемых набором вольфрамовых спиралей в зазор между сплошным цилиндрическим катодом и цилиндрическим анодом - сеткой, разность потенциалов между которыми составляла 1,2 кВ, что обеспечивало выполнение условия (1). Полученные наночастицы наносились на поверхность подложки, расположенной на выходе из камеры дозарядки микрочастиц. Радиус отверстий дискового катода и диэлектрического кожуха камеры дозарядки R=0,5 см, а длина диэлектрического кожуха L=10 см. При этих размерах диэлектрического кожуха выполнение условия (2) определяется выбором тока эмиссии с поверхности вольфрамовых спиралей, который выбирался равным I≈2 А.Example. A method was implemented for producing copper nanoparticles from microdrops charged by a stream of high-energy electrons. In this case, microdroplets were created by the method of electrohydrodynamic sputtering of a copper tip cathode 300 μm thick. The electron flux was created in the microdroplet recharging chamber upon acceleration of electrons emitted by a set of tungsten spirals into the gap between a continuous cylindrical cathode and a cylindrical anode-grid, the potential difference between which was 1.2 kV, which ensured that condition (1) was satisfied. The obtained nanoparticles were deposited on the surface of a substrate located at the outlet of the microparticle recharge chamber. The radius of the holes of the disk cathode and the dielectric casing of the recharging chamber is R = 0.5 cm, and the length of the dielectric casing is L = 10 cm. For these dimensions of the dielectric casing, condition (2) is determined by choosing the emission current from the surface of the tungsten spirals, which was chosen to be I≈2 BUT.

При описанных выше параметрах процесса на подложке из окисленного кремния были получены наночастицы меди размером 5 нм. Отметим, что при отключении ускоряющего потенциала в камере дозарядки размер наночастиц, осаждаемых на подложке, был не менее 20-30 нм.Using the process parameters described above, copper nanoparticles 5 nm in size were obtained on an oxidized silicon substrate. Note that when the accelerating potential in the recharging chamber was turned off, the size of the nanoparticles deposited on the substrate was not less than 20-30 nm.

Claims (15)

1. Способ получения наночастиц, включающий диспергирование расплавленного материала, подачу образовавшихся жидких микрокапель этого материала в поток электронов для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, с получением наночастиц и нанесение получаемых наночастиц на подложку, отличающийся тем, что для дозарядки микрокапель до состояния, в котором начинается их каскадное деление, параметры потока электронов и время нахождения жидких микрокапель в нем выбирают из следующих соотношений:
Figure 00000012
;
Figure 00000013
;
где r - радиус заряжаемых жидких капель, м,
Е - средняя энергия электронов, Дж,
n - плотность потока электронов, м-3,
τ - время зарядки капель, с,
σ - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемого материала при температуре его плавления, Н/м,
е - заряд электрона, Кл,
ε0 - электрическая постоянная Ф/м,
me - масса электрона, кг.
1. A method of producing nanoparticles, including the dispersion of molten material, feeding the formed liquid microdrops of this material into an electron stream to recharge the microdrops to the state in which they cascade division, to obtain nanoparticles and applying the resulting nanoparticles to a substrate, characterized in that for recharging the microdrops to the state in which their cascade fission begins, the parameters of the electron flow and the residence time of the liquid microdroplets in it are selected from the following relations:
Figure 00000012
;
Figure 00000013
;
where r is the radius of the charged liquid droplets, m,
E is the average electron energy, J,
n is the electron flux density, m -3 ,
τ is the droplet charging time, s,
σ is the coefficient of surface tension of the dispersible material at its melting temperature, N / m,
e is the electron charge, C,
ε 0 - electric constant f / m,
m e is the mass of the electron, kg.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный материал для диспергирования получают электронно-лучевым плавлением поверхности острия металлического анода при напряженности электрического поля на вершине острия анода, поддерживаемой на уровне не менее 107 В/см.2. The method according to claim 1, characterized in that the molten material for dispersion is obtained by electron beam melting of the surface of the tip of the metal anode at an electric field strength at the top of the tip of the anode, maintained at a level of at least 10 7 V / cm. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расплавленный материал для диспергирования получают лазерной абляцией мишени из материала, переводимого в жидкое состояние.3. The method according to claim 1, characterized in that the molten material for dispersion is obtained by laser ablation of a target from a material transferred to a liquid state. 4. Устройство для получения наночастиц, содержащее размещенные в вакуумной камере и установленные соосно узел формирования потока микрокапель с катодом и анодом, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц с дисковым катодом с центральным отверстием, анодом и подложкой, установленной на аноде, отличающееся тем, что узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель, вокруг которого установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения, при этом узел формирования потока микрокапель дополнительно содержит диэлектрический диск с центральным отверстием, в кольцевом пазе которого установлен кольцевой катод, а анод выполнен в виде металлической иглы, являющейся первым анодом, узел дозарядки микрокапель содержит диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов.4. A device for producing nanoparticles, containing placed in a vacuum chamber and coaxially mounted unit for forming a flow of microdrops with a cathode and anode, a microproplet recharging unit and a deposition unit for nanoparticles with a disk cathode with a central hole, anode and substrate mounted on the anode, characterized in that the micro-droplet flow forming unit is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit, around which an annular control electrode is mounted connected to an adjustable voltage source In this case, the microdroplet flow forming unit further comprises a dielectric disk with a central hole, in which an annular cathode is installed in the annular groove, and the anode is made in the form of a metal needle, which is the first anode, the microdroplet recharging unit contains a dielectric body in the form of a hollow round cylinder with central end holes, in which the first round cylindrical cathode and the first round cylindrical metal grid are installed, which is the second anode, between which The first electron emitter. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде диска.5. The device according to claim 4, characterized in that the anode of the nanoparticle deposition site is made in the form of a disk. 6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде кольца.6. The device according to claim 4, characterized in that the anode of the nanoparticle deposition site is made in the form of a ring. 7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что анод узла осаждения наночастиц выполнен в виде тора.7. The device according to claim 4, characterized in that the anode of the nanoparticle deposition site is made in the form of a torus. 8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что первый эмиттер электронов выполнен в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности, и подключен к источнику тока.8. The device according to claim 4, characterized in that the first electron emitter is made in the form of a tungsten filament placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source. 9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узел дозарядки микрокапель дополнительно содержит второй круглый цилиндрический катод и вторую круглую цилиндрическую металлическую сетку, являющуюся четвертым анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов, установленные за первым эмиттером электронов и отделенные от него кольцевой диэлектрической перегородкой.9. The device according to claim 4, characterized in that the micro-droplet recharging unit further comprises a second circular cylindrical cathode and a second circular cylindrical metal grid, which is the fourth anode, between which there is a second electron emitter installed behind the first electron emitter and separated from it by a ring dielectric septum. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что второй эмиттер электронов выполнен в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.10. The device according to claim 9, characterized in that the second electron emitter is made in the form of a tungsten filament placed on a round cylindrical surface and connected to a current source. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что диэлектрический диск, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод выполнены с одинаковым радиусом центральных отверстий.11. The device according to claim 9, characterized in that the dielectric disk, the dielectric housing, the annular dielectric partition and the disk cathode are made with the same radius of the Central holes. 12. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца.12. The device according to claim 4, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с цилиндрической внутренней поверхностью.13. The device according to p. 12, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring with a cylindrical inner surface. 14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с вогнутой внутренней поверхностью.14. The device according to p. 12, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring with a concave inner surface. 15. Устройство по п.4, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде полого усеченного конуса. 15. The device according to claim 4, characterized in that the control electrode is made in the form of a hollow truncated cone.
RU2009102170/02A 2009-01-19 2009-01-19 Method to produce nanoparticles and device for its realisation RU2412108C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009102170/02A RU2412108C2 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Method to produce nanoparticles and device for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009102170/02A RU2412108C2 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Method to produce nanoparticles and device for its realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009102170A RU2009102170A (en) 2010-07-27
RU2412108C2 true RU2412108C2 (en) 2011-02-20

Family

ID=42697888

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009102170/02A RU2412108C2 (en) 2009-01-19 2009-01-19 Method to produce nanoparticles and device for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2412108C2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2476620C1 (en) * 2011-09-12 2013-02-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Device and method to produce nanoparticles
RU2569538C2 (en) * 2013-11-01 2015-11-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method of producing hydrogen-saturated metal nanoparticles and apparatus therefor
RU2633689C2 (en) * 2013-09-12 2017-10-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method to produce nanoparticles and device for its realisation
RU174967U1 (en) * 2016-01-29 2017-11-13 Общество с ограниченной ответственностью "Банк Стволовых Клеток" INSTALLATION FOR COATING MATERIAL WITH A SOLUTION WITH NANOPARTICLES
WO2019224564A1 (en) 2018-05-22 2019-11-28 Zaur Berishvili Method for production of nanomaterial in vacuum and magnetron spattering device for its embodiment
RU2756111C1 (en) * 2020-07-06 2021-09-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Method for producing stabilised nanodispersed cerium dioxide particles

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГОРОХОВ М.В. и др. Электрогидродинамическое диспергирование металлов с использованием электронно-лучевого нагрева. Журнал технической физики, 2008, т.78, вып.9, с.46-51. *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2476620C1 (en) * 2011-09-12 2013-02-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт физических проблем им. Ф.В. Лукина" Device and method to produce nanoparticles
RU2633689C2 (en) * 2013-09-12 2017-10-16 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method to produce nanoparticles and device for its realisation
RU2569538C2 (en) * 2013-11-01 2015-11-27 Общество С Ограниченной Ответственностью "Новые Энергетические Технологии" Method of producing hydrogen-saturated metal nanoparticles and apparatus therefor
RU174967U1 (en) * 2016-01-29 2017-11-13 Общество с ограниченной ответственностью "Банк Стволовых Клеток" INSTALLATION FOR COATING MATERIAL WITH A SOLUTION WITH NANOPARTICLES
WO2019224564A1 (en) 2018-05-22 2019-11-28 Zaur Berishvili Method for production of nanomaterial in vacuum and magnetron spattering device for its embodiment
RU2756111C1 (en) * 2020-07-06 2021-09-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования. "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Method for producing stabilised nanodispersed cerium dioxide particles

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009102170A (en) 2010-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2242532C1 (en) Method of production of nanoparticles
US10610934B2 (en) Method and apparatus for production of uniformly sized nanoparticles
RU2412108C2 (en) Method to produce nanoparticles and device for its realisation
Feng et al. Unconventional alloys confined in nanoparticles: building blocks for new matter
Wegner et al. Cluster beam deposition: a tool for nanoscale science and technology
Levchenko et al. Lightning under water: Diverse reactive environments and evidence of synergistic effects for material treatment and activation
US4163637A (en) Method and apparatus for producing small hollow spheres
JP5286517B2 (en) Solution plasma reactor and method for producing nanomaterials using the device
US20070101823A1 (en) Process and apparatus for producing metal nanoparticles
US6827823B2 (en) Nano-carbon and composite material or mixed material containing nano-carbon and metal fine particle and methods for producing and patterning the same
EP1615482B1 (en) Laser plasma producing method and device
CN107148323B (en) Processing device for metal material
JP5472601B2 (en) In-liquid plasma processing apparatus, metal nanoparticle manufacturing method, and metal carrier manufacturing method
RU2380195C1 (en) Method for production of metal or semiconductor nanoparticles deposited on carrier
RU2455119C2 (en) Method to produce nanoparticles
Nominé et al. Synthesis of nanomaterials by electrode erosion using discharges in liquids
US3475158A (en) Production of particulate,non-pyrophoric metals and product
WO2019224564A1 (en) Method for production of nanomaterial in vacuum and magnetron spattering device for its embodiment
Ivashchenko et al. Laser-Induced-Electro-Explosion Synthesis of Powder Materials (LIEES)
Sahu et al. An innovative approach for generation of aluminium nanoparticles using micro electrical discharge machining
RU2371381C2 (en) Method and device for plasmochemical synthesis of nano-objects
RU2417831C1 (en) Device to produce nanoparticles
RU2265076C1 (en) Method of obtaining nanoparticles
Haidar Synthesis of Al nanopowders in an anodic arc
RU2633689C2 (en) Method to produce nanoparticles and device for its realisation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140120