Плазменный синтез наночастиц металлов в условиях резонансного режима колебаний буферного газа

Технологии получения и обработки функциональных наноматериалов относятся к перечню критических технологий РФ и имеют важное межотраслевое значение для целого ряда российских и мировых научно-технологических приоритетов. Особые свойства наночастиц обусловлены гораздо большим, по сравнению с макрообъектами, отношением поверхности к объему и квантовыми размерными эффектами. Наночастицы металлов используются для катализа, медицины, в электронике и во многих других приложениях. Плазменный синтез имеет высокий потенциал по сравнению с другими (CVD, химический метод, золь-гель метод и др.) методами получения наночастиц, поскольку он обеспечивает короткое время роста, оптимизированные свойства получаемых материалов с точки зрения состава, формы, чистоты и низкую стоимость. В настоящем проекте предлагается развитие плазменного метода формирования наночастиц по принципу “снизу-вверх”, когда при создании таких частиц набираются и выстраиваются отдельные атомы в упорядоченную структуру, т.е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. Неравновесная газоразрядная плазма, используемая при синтезе наноструктур обладает рядом преимуществ: 1) зарядка частиц с последующим снижением и прекращением агломерации; 2) нагрев частиц до высоких температур, превышающих температуру буферного газа, за счет рекомбинационных процессов на их поверхности. Проблемами синтеза наночастиц в неравновесной плазме являются низкая скорость их получения и большой разброс размеров. Решением производительности синтеза может стать увеличение давления и/или вкладываемой электрической мощности в разряд. Однако, при повышении указанных параметров разряду свойственны различные типы неустойчивостей, когда разряд из диффузного режима горения переходит в контрагированный или дугу, в котором состояние плазмы разряда приближается к равновесному и плазма теряет вышеназванные преимущества для синтеза, обусловленные ее неравновесностью. Существуют различные методы управления параметрами газового разряда и подавления контракции при высоких давлениях: предварительная ионизация, прокачка газа и др. Такие методы требуют привлечения громоздкого и дорогостоящего оборудования. С этой точки зрения выгодным является акустический метод управления параметрами плазмы предлагаемый автором проекта, когда с помощью акустических колебаний можно изменять основные характеристики плазмы и управлять структурой разряда. Наличие колебаний буферного газа интенсифицируют агломерацию и коалесценцию наночастиц, как это происходит при агломерации и коагуляции твердофазного и жидкофазного аэрозолей в волновом поле, обеспечивая, с одной стороны эффективный расход распыляемого материала, с другой синтез наночастиц с узким распределением по размерам за счет их отрицательной зарядки и ограничения роста кулоновскими силами отталкивания. Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является разработка метода плазменного синтеза наночастиц меди в условиях резонансного режима колебаний буферного газа. Планируется решение следующих задач: 1. Разработка и тестирование экспериментальной установки для проведения исследований плазменного синтеза наночастиц меди в условиях резонансного режима колебаний буферного газа в широком диапазоне внешних условий (мощность, давление, интенсивность колебаний). Экспериментальное и теоретическое исследование электрических, акустических и спектральных характеристик разряда при резонансных колебаниях буферного газа. 2. Плазменный синтез наночастиц меди в условиях резонансного режима колебаний буферного газа. Поиск оптимальных режимов горения разряда для получения наночастиц меди. 3. Исследование полученных наноструктурных материалов методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии. Получение распределений наночастиц меди по размерам в зависимости от основных параметров плазменного синтеза. Получение информации об элементном составе и форме наночастиц.