Фундаментальные проблемы современного материаловедения,  2018,  том 15,  №1, 53-61

 

Ю.Я. Гафнер1, С.Л. Гафнер1, С.П. Бардаханов2

Комплексное исследование процесса синтеза наночастиц меди при испарении пучком электронов

1Хакасский государственный университет, ул. Ленина, 90, 655017, Абакан, Россия
2Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, ул. Институтская, 4/1, 630090, Новосибирск, Россия
Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Существует множество способов получения наночастиц металлов, таких как механохимические методы, плазмохимические методы, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления и метод конденсации из газовой фазы. Однако не все подходы способны обеспечить требуемую чистоту наноматериала. На наш взгляд, наиболее перспективным способом синтеза наночастиц меди, является метод испарения металлов электронным пучком с последующей конденсацией полученного пара в атмосфере инертного газа. Для определения наиболее эффективных режимов синтеза наночастиц меди была проведена серия экспериментов по испарению и последующей конденсации исходного материала в атмосфере аргона. В ходе опытов было обнаружено, что увеличение скорости испарения значительно увеличивает средний размер синтезированных частиц. Однако объяснение зависимости размеров полученных кластеров от интенсивности расхода буферного газа столкнулось со значительными трудностями, связанными с тем, что результаты значительно расходились с ранее проведенными экспериментами по синтезу оксидов переходных металлов. Для решения этого противоречия было проведено компьютерное моделирование конденсации атомов меди из газовой фазы. В результате компьютерного моделирования было обнаружено, что скорость охлаждения газовой смеси и конечная температура непосредственно влияют на количество и размер частиц в системе. Так при уменьшении скорости охлаждения в 10 раз, средний размер полученных частиц увеличивался в 2.7 раза при конечной температуре 77 К и в 3.1 раза при Tf = 373 К. Был сделан вывод, что результаты экспериментальных исследований, показывающие увеличение среднего размера частиц меди с увеличением скорости охлаждения системы, могут быть связаны с вихревыми токами под крышкой сублиматора, которые вызывают слияние мелких капелек. Данную проблему можно преодолеть путем структурных улучшений сублиматора.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, молекулярная динамика, сильная связь, конденсация, нанокластеры меди.

УДК 669.3:536.422.4

DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2018.01.007


 

Fundamental’nye problemy sovremennogo materialovedenia

(Basic Problems of Material Science (BPMS)) Vol. 15, No.1 (2018) 53-61

 

Yu.Ya. Gafner1†, S.L. Gafner1, S.P. Bardakhanov2

Synthesis of copper nanoparticles by electron beam evaporation: a complex study

1Khakas State University, Lenin Str., 90, Abakan, 655017, Russia
2Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, Institutskaya Str., 4/1, Novosibirsk, 630090, Russia

Nowadays there are many ways to get nanoparticles of metals, such as mechanochemical methods, plasmachemical methods, some embodiments of a chemical, photochemical and radiation reduction, and the method of condensation from the gas phase. However, not all of the above mentioned approaches are capable to provide the required purity of the nanomaterial. Among the variety of methods, in our opinion, the most promising method for the synthesis of fine particles, including the copper particles, is the method of evaporation of metals by powerful electron beam and subsequent condensation of vapor in the atmosphere of inert gas. In order to determine the most efficient regimes of copper nanoparticles synthesis, a series of experiments were conducted by evaporation and subsequent condensation of the raw material in an argon atmosphere. During the tests it was found that an increase of evaporation rate increases significantly the average size of the synthesized particles. However, the study of the dependence of dimensional parameters of the produced clusters on the intensity of the buffer gas flow rate has encountered significant difficulties associated because the results significantly divergent from the previously conducted experiments on the synthesis of transition metal oxides. In order to solve this contradiction the computer simulation was held of copper atoms condensation from the gas phase. As a result of computer simulation it was discovered that the cooling rate of the gas mixture and the final temperature directly affects the number and size of the particles of the system, provided the same number of atoms. Since the cooling rate decreases 10 times the average size of the obtained particles increased 2.7 times at a final temperature of 77 K and 3.1 times at Tf = 373 K. The experimental investigation results show the increase in the average size of the copper particles with increase of the cooling rate system may be connected with the eddy currents under the sublimator cover causing coalescence of small droplets before leaving the crucible by prolonged residence time therein. In general, this problem can be overcome through structural improvements of sublimator.

Keywords: condensation, copper nanoparticles, computer simulation, molecular dynamics, tight-binding.