Формирование наночастиц висмута на нанопористых подложках

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Подложки со слоем анодированного оксида алюминия получены методом одноэтапного и двухэтапного анодирования. Образцы имели различную пористость в объеме и на поверхности. Наночастицы висмута получены методом термического испарения в среде аргона путем конденсации на подложки со слоем анодированного оксида алюминия. Исследовано распределение размеров, формы, количества нано- и микрочастиц по изображениям, полученным с помощью растрового электронного микроскопа. Наибольшее количество наночастиц (21%) на образце с поверхностным слоем оксида алюминия без пор характеризовалось диаметром 70 нм. Предполагается, что наличие пор на поверхности влияет на миграцию осажденных атомов и частиц расплава висмута до момента образования стабильных центров конденсации. Присутствие пор диаметром 20–100 нм привело к уменьшению диаметра наиболее распространенных наночастиц висмута от 80 до 40 нм. Наночастицы диаметром 90 нм преобладали (25%) в образце с порами диаметром 60–220 нм. Наибольшее количество кристаллитов сферической формы на всех подложках имело диаметр 110 нм. Установлено, что равномерное распределение частиц получено на образце, поверхность которого не подвергалась химической полировке.

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Висмут обладает специфическими физико- химическими характеристиками [1–4], которые вызывают интерес. Диэлектрическая проницаемость тонких пленок висмута (толщиной 17–78 нм) схожа со значениями, характерными для объемной формы. На основании этого предполагается создать устройства для фотоники с высоким коэффициентом поглощения видимого света, в том числе за счет наноструктурирования поверхности [5]. Показано, что стекла с добавлением наночастиц висмута демонстрируют интенсивную широкополосную фотолюминесценцию, поэтому их рассматривают как перспективный материал для оптических усилителей и лазеров [6].

Анодированный оксид алюминия используют в качестве шаблона для изготовления и исследования наноструктур благодаря химической инертности, большой площади поверхности и высокой термической стабильности [7]. Например, с применением матриц из этого материала были получены нанопроволоки соединений висмута и исследованы термоэлектрические и оптические свойства этих структур [8–11].

Исследование свойств наночастиц висмута во многом определяется развитием методов их получения. Известна работа об особенностях нано- и микрочастиц висмута, полученных методом термического испарения в среде аргона на подложках из стеклоуглерода и оксида алюминия [12].

Целью настоящей работы было изучение условий формирования наночастиц висмута методом термического испарения на подложках со слоем анодированного оксида алюминия различной пористости, а также анализ их размеров, формы и количества по изображениям электронного микроскопа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Диски толщиной 80 мкм и диаметром 19 мм вырезали из технической алюминиевой фольги (содержание Al более 99.5%, основные примеси Fe и Si менее 0.5%) и отжигали в течение 2 ч на воздухе при 500°C в муфельной печи СНОЛ 6/12-В. Поверхность дисков обезжиривали в C2H5OH и промывали в дистиллированной воде. Первое анодирование проводили в течение 2 ч при температуре 10–15°C с использованием 0.5 н раствора (COOH)2 при 85 В. Диски № 2 и № 3 травили водным раствором, содержащим 1.8 г CrO3 и 7.1 г 85% H3PO4 на 100 мл, при 85°C в течение ~1 и ~10 мин соответственно. Второе анодирование диска № 3 проводили в течение 45 мин при температуре 7–9°C. Образовавшийся второй слой оксида алюминия травили аналогично первому в течение ~3 мин. Диаметр слоя анодированного оксида алюминия составил 14 мм. Слой алюминия диаметром 8 мм удаляли со слоя анодированного оксида алюминия на всех дисках, используя водный 5% раствор CuCl2. Полученные подложки промывали в дистиллированной воде.

Наночастицы получены методом термического испарения. В качестве исходного материала использовали висмут особой чистоты Ви-0000. Предварительно проводили капельную очистку исходных слитков висмута в вакууме с последующей направленной кристаллизацией [13].

Известно, что температура плавления кристаллического висмута 271°C, его температура кипения 1564°C. Для расплава висмута характерно низкое давление паров – менее 1.33 Па (0.01 мм рт. ст.) при температурах до 487°C [14]. Для контроля процесса испарения необходимо создание специальных условий, поэтому висмут испарялся в вакуумной камере в атмосфере высокочистого аргона при давлении 6 × 103 Па [15]. Висмут массой ~1 г помещали в кварцевый тигель, сверху которого устанавливали танталовую крышку с одним отверстием диаметром 5 мм. На вращающемся штоке на расстоянии 20 мм от танталовой крышки закреплен танталовый диск диаметром 50 мм с четырьмя отверстиями диаметром 5 мм. На верхней поверхности диска размещали одну кварцевую и три алюминиевые подложки со слоем анодированного оксида алюминия. Висмут испарялся и конденсировался в течение одного процесса поочередно на подложках при вращении штока. Использование кварцевой подложки позволило осуществлять визуальный контроль начала процесса испарения благодаря изменению ее прозрачности. Пары висмута направляли поочередно на подложки № 1, 2 и 3, а длительность термического испарения составляла 10, 15 и 20 с соответственно. Температуру расплава висмута в процессе испарения поддерживали равной 378°C, а температура подложек, на которых конденсировался висмут, составляла ~125°C.

Частицы висмута на слое анодированного оксида алюминия наблюдали с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) Jeol JSM-7401F в низковольтном режиме при ускоряющем напряжении 1 кВ с использованием бессеточного детектора вторичных электронов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены характерные РЭМ- изображения частиц висмута на нанопористых подложках. Поверхностный слой анодированного оксида алюминия был частично удален с подложки № 2. Вследствие этого были получены участки с “закрытыми” (“З”) (рис. 1б) и “открытыми” (“О”) (рис. 1в) порами диаметром 20–100 нм. На подложке № 3 (рис. 1г) образовался слой анодированного оксида алюминия с диаметром пор 60–220 нм. Толщина слоя для подложек № 1, 2 и 3 составила 14, 15 и 3 мкм соответственно.

 

Рис. 1. Характерные РЭМ-изображения частиц висмута на подложках: а – № 1; б – № 2 “З”; в – № 2 “О”; г – № 3.

 

При испарении расплава висмута в среде аргона на анодированном слое формировались сферические наночастицы размерами 20–100 нм и микрочастицы висмута размерами 110–330 нм, также кристаллиты отличной от сферической формы размерами 40–910 нм. Частицы распределялись равномерно по поверхности слоя анодированного оксида алюминия образца № 1 (рис. 1а). Для подвергавшихся травлению подложек № 2 и 3 характерно неравномерное расположение частиц на поверхности анодированного слоя (рис. 1б–г). На рис. 2 показаны характерные РЭМ-изображения скола нанопористых подложек. Благодаря различным условиям получения характер расположения и размеры пор в слое анодированного оксида алюминия были различны для всех образцов.

 

Рис. 2. Характерные РЭМ-изображения скола подложек: а – № 1; б – № 2 “З”; в – № 2 “О”; г – № 3.

 

Известно, что при уменьшении размера частиц висмута температура кристаллизации значительно снижается [16, 17]. Так, для частиц размером ~8 нм температура кристаллизации опускается до 160°C [18]. Из этого следует, что атомы и мельчайшие частицы расплава висмута могли мигрировать по поверхности подложки до момента образования стабильных центров конденсации. Тогда рельеф поверхности в значительной степени определяет ее смачиваемость и миграцию частиц. Небольшое увеличение температуры подложки (до 10%) может приводить к увеличению размеров кристаллитов примерно в три раза [15]. В то же время известно, что слою анодированного оксида алюминия пористостью 3.8–12.7%, полученного в результате двухэтапного процесса анодирования, соответствует изменение коэффициента теплопроводности от 1.31 до 1.62 Вт/(м К) [19, 20]. Значит, различия в пористости и толщине образцов в значительной степени определяют различия тепловых условий.

На этом фоне особый интерес представляет сравнение свойств поверхностей с “открытыми” и “закрытыми” порами. Распределения частиц висмута по размерам представлены на рис. 3. Доминирующий размер наночастиц висмута, сформированных на поверхности образца № 2 без пор, в два раза превышает диаметр частиц на поверхности с порами. Кристаллиты на образце № 2 “З” сконцентрированы в области трещины в слое анодированного оксида алюминия, в которой видны поры (рис. 1), а размеры кристаллитов выше в два–девять раз. Вероятно, наличие пор ограничивает миграцию частиц расплава по поверхности оксидного слоя. Наночастицы диаметром 90 нм характерны для образца № 3. Частицы размещены на стенке ячейки, а не над порой.

 

Рис. 3. Диаграммы распределения частиц висмута по размерам для образцов: а – № 1 и № 3; б – № 2 “З” и № 2 “О”.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформированы наночастицы и кристаллиты висмута на нанопористых подложках со слоем анодированного оксида алюминия и проведен анализ их формы, размеров и количества. Наличие пор на поверхности образца, полученного в результате одноэтапного анодирования и подвергнутого травлению, привело к уменьшению диаметра наиболее распространенных наночастиц от 80 до 40 нм и снижению размеров кристаллитов в два–девять раз. Наночастицы диаметром 90 нм преобладали в образце, изготовленном в результате двухэтапного анодирования. Наиболее равномерно частицы распределены на поверхности образца, полученного при одноэтапном анодировании, поверхность которого не подвергалась травлению.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках госзадания ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН с использованием оборудования ЦКП ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН. Авторы выражают особую благодарность д.т.н. Геннадию Николаевичу Кожемякину (ЛКМ ИК РАН–ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН) за помощь в эксперименте по термическому испарению висмута.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

Об авторах

С. И. Супельняк

ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: supelnyak@gmail.com

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова 

Россия, 119333, Москва

В. В. Артемов

ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Email: supelnyak@gmail.com

Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова 

Россия, 119333, Москва

Список литературы

  1. Brandt N.B., Dolgolenko T.F., Stupochenko N.N. // Sov. Phys. JETP. 1964. V. 18. № 4. P. 908.
  2. Sandomirskii V.B. // Sov. Phys. JETP. 1967. V. 25. № 1. P. 101.
  3. Saikawa K. //J. Phys. Soc. Jpn. 1970. V. 29. № 3. P. 570. https://www.doi.org/10.1143/JPSJ.29.562
  4. Эдельман В.С. // Успехи физических наук. 1977. Т. 123. № 10. С. 257. https://www.doi.org/10.3367/UFNr.0123.197710d.0257
  5. Toudert J., Serna R., Deeb C., Rebollar E. // Opt. Mater. Express. 2019. V. 9. № 7. P. 2924. https://www.doi.org/10.1364/OME.9.002924
  6. Romanov A.N., Haula E.V., Korchak V.N. // Quantum Electronics. 2020. V. 50. № 10. P. 910. https://www.doi.org/10.1070/QEL17250
  7. Liu S., Tian J., Zhang W. // Nanotechnology. 2021. V. 32. № 22. P. 222001. https://www.doi.org/10.1088/1361-6528/abe25f
  8. Kim J., Shim W., Lee W. // J. Mater. Chem. C. 2015. V. 3. № 46. P. 11999. https://www.doi.org/10.1039/x0xx00000x
  9. Goncharova A.S., Napolskii K.S., Skryabina O.V., Stolyarov V.S., Levin E.E., Egorov S.V., Eliseev A.A., Kasumov Yu.A., Ryazanov V.V., Tsirlinab G.A. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. № 26. P. 14953. https://www.doi.org/10.1039/D0CP01111H
  10. Lee P.C., Wei P.C., Chen Y.Y. // Nanomaterials. 2021. V. 11. № 3. P. 819. https://www.doi.org/10.3390/nano11030819
  11. Rehman A.Ur., Ashraf M.W., Tayyaba S., Bashir M., Wasim M.F., Imran M. // Dig. J. Nanomater. Biostructures. 2021. V. 16. № 1. P. 231.
  12. Kozhemyakin G.N., Artemov V.V., Kiiko A.V., Kiiko S.A., Bryl O.E. // Russ. Metallurgy (Metally). 2021. № 1. P. 68. https://www.doi.org/10.1134/S0036029521010079
  13. Кожемякин Г.Н., Ковалев С.Ю., Соклакова О.Н. // Физика и химия обработки материалов. 2019. № 5. С.68. https://www.doi.org/10.30791/0015-3214-2019-5-68-73
  14. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: справочник / Ред. Григорьев И.С., Мелихов Е.З. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
  15. Кожемякин Г.Н., Брыль О.Е., Панич Е.А., Довгалюк А.И., Савицкий И.В., Ярмов А.А. // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 2. С. 1. https://www.doi.org/10.1134/S0023476119020188
  16. Егоров В.М., Урюпин О.Н., Иванов Ю.В. // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. Вып. 9. С. 1798.
  17. Kellermann G., Craievich A.F. // Phys. Rev. B. 2008. V. 78. № 5. P. 054106. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevB.78.054106
  18. Li Y., Zang L., Jacobs D.L., Zhao J., Yue X., Wang C. // Nature Commun. 2017. V. 8. № 1. P. 1. https://www.doi.org/10.1038/ncomms14462
  19. Lee J., Kim Y., Jung U., Chung W. // Mater. Chem. Phys. 2013. V. 141. № 2–3. P. 680. https://www.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2013.05.058
  20. Vera-Londono L., Ruiz-Clavijo A., Caballero-Calero O., Martín-González M. // Nanoscale Adv. 2020. V. 2. № 10. P. 4591. https://www.doi.org/10.1039/D0NA00578A

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Характерные РЭМ-изображения частиц висмута на подложках: а – № 1; б – № 2 “З”; в – № 2 “О”; г – № 3.

Скачать (1011KB)
3. Рис. 2. Характерные РЭМ-изображения скола подложек: а – № 1; б – № 2 “З”; в – № 2 “О”; г – № 3.

Скачать (732KB)
4. Рис. 3. Диаграммы распределения частиц висмута по размерам для образцов: а – № 1 и № 3; б – № 2 “З” и № 2 “О”.

Скачать (238KB)

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».