|
Источники получения кластеровСтр 1 из 46Следующая ⇒ Простейшим источником кластеров может служить ячейка Кнудсена, в которой твердое тело или жидкость нагреваются до давления пара, соответствующего большей длине пробега, чем размер отверстия истечения атомов, молекул или кластеров исследуемого вещества. Размер отверстия должен быть также мал, чтобы не нарушать термодинамического равновесия между газом и конденсированной фазой в ячейке. Продукты истечения из ячейки могут включать мономеры, димеры, тримеры и т.д., причем их интенсивность экспоненциально падает с увеличением размера кластера. Однако интенсивность ячейки Кнудсена неудовлетворительна, поэтому используются другие источники, например сверхзвуковое сопло. Схема сверхзвукового сопла изображена на рис. 1.3. Газ расширяется из зоны высокого давления через малое отверстие с диаметром D = 0,1 ÷ 1,0 мм в вакуум. Стрелками показано направление движения молекул газа в резервуаре и за его пределами. При обычно применяемом давлении Р — 106 Па (10 бар) средний пробег молекул внутри камеры на много порядков величины меньше D, что вызывает множество столкновений при движении и расширении газа в камере и приводит к состоянию, близкому к равновесию. При истечении газа из сопла температура его резко понижается на расстоянии уже нескольких сантиметров, что ведет к образованию кластеров из отдельных атомов и молекул. В качестве характеристики истечения идеальных газов из сопла и в какой то степени для кластеров кроме давления и температуры используются также числа Маха М = u/с, представляющие собой отношение скорости потока u к локальной скорости звука с = (γkT/m)1/2, γ = Ср/Cv.
Величины М изменяются от 0 до 102 и определяют распределение скоростей кластеров. В случае ячейки Кнудсена М = 0 и распределение максимально широкое, при М →∞ это распределение вырождается в линию. Образование кластеров в сверхзвуковом пучке газовых молекул — сложный процесс и может быть рассмотрено на основе моделей тройных столкновений или термодинамической модели нуклеации из газовой фазы. Если локальная температура пучка становится меньше, чем энергия связи димера, то это приводит к его стабилизации в трехчастичном столкновении. Так, например, для Аr можно записать Аr + Аr + Аr → 4 Аr + Аг2. Образование такого димера инициирует процесс конденсации в газовой фазе, если только димер не содержится в исходном газе. Для кластерных пучков с более крупными кластерами происходит кластер-кластерная агрегация. При моделирования таких процессов, казалось бы, применимы методы молекулярной динамики или Монте-Карло, однако их временной масштаб составляет несколько наносекунд, что значительно короче времени между моментом вылета молекул газа из сопла и временем конденсации или фиксации кластеров на поверхности. Другой поход к описанию образования кластеров состоит в применении модели нуклеации в процессе фазового перехода из газа в жидкость. На фазовой диаграмме эти две фазы разделены приблизительно линией, определяемой уравнением ln Р∞ = A-B/T (1.1) где Р ∞ — давление пара над плоской поверхностью жидкости, А и В — константы. При Р∞ конденсация происходит бесконечно долго. Для получения конденсации за время работы сопла необходимо пересыщение Фk = Pk/ Р∞, определяемое давлением Pk > Р∞. Кластер с радиусом r обладает большим давлением пара по сравнению с плоской поверхностью ln (Pr/Р∞) = 2σm / (kTρr) (1.2) где σ — поверхностное натяжение капли или кластера, ρ — плотность, m — молекулярный или атомный вес. При Рr = Рk и пересыщении Фk получается критический радиус rk=2σm / (kTρln Фk) (1.3)
В результате кластеры с размерами менее rk испаряются, а больше — начинают расти. Подобный процесс характерен для атомной конденсации и обеспечивает экспоненциальное уменьшение числа образованных кластеров с их размерами, при этом кластер-кластерные столкновения и кластерная конденсация редки. Такое уменьшение интенсивности показано на рис. 1.4 для образования кластеров СО2 при малом давлении газа в камере сопла. Увеличение давления газа в камере приводит к появлению большого числа более крупных кластеров за счет кластер-кластерных столкновений. Сверхзвуковое сопло достаточно интенсивный источник кластеров, однако их масса не превышает несколько сотен атомов. Для получения более крупных кластеров используются источники, основанные на газовой агрегации типа дымов или туманов. Во всех случаях испаряется твердое тело или жидкость в холодный газ, который охлаждает испаряемые атомы до их конденсации в кластеры. Здесь также работает схема тройных столкновений, например для получения кластеров меди в аргоне: Cu+Cu+Ar→ Cu2 + Ar Образованный димер может статистически разрушится или дорасти до размера, определяемого критическим радиусом rk и соответствующего (1.3). Для ббльших размеров наблюдается пересыщение и образование кластеров идет очень быстро. На рис. 1.5 представлен источник углеродных кластеров, в котором впервые были получены в весомых количествах фуллерены. Кластеры получаются с помощью дугового разряда между двумя угольными электродами в атмосфере гелия. На специальном приемнике собирается сажа, которая затем растворяется в органических растворителях с последующим выделением фуллеренов.
Таким путем можно получить довольно крупные кластеры металлов, регулируя тип газа или скорость его потока. Для уменьшения размеров кластера применяется схема с охлаждением потока, представленная на рис. 1.6. Газ носитель пропускается над печью с испаряемым материалом, например металлом, а затем проходит мимо охлаждаемого жидким азотом пространства, что позволяет направленно уменьшить размеры кластеров.
Третьим типом кластерных источников можно считать источники с применением методов эрозии поверхности: это облучение тяжелыми ионами или интенсивная лазерная обработка и так называемая лазерная абляция, когда под действием лазера обычной мощности удаляются поверхностные слои твердого тела. Пучок высокоэнергетических ионов (например Хе+ с энергией 30 кэВ) ударяет по поверхности и выбивает атомы, молекулы и кластеры. Более контролируемый способ — применение мощного лазера (l0÷20 мДж за 10 нс, сфокусированного на площади около 1 мм2). Это дает интенсивный пучок малых кластеров для элементов С, Si, Ge. Для других элементов характерен выброс в основном атомных ионов. Лазер высокой интенсивности (> 100 МВт/см2) вспарывает поверхность на глубину до 500 слоев за время лазерного импульса, создавая плотность ионов до 1018/см3. Такой источник очень горячий (~ 104 К), и для получения кластеров поток ионов должен далее охлаждаться способами, применяемыми для сверхзвукового сопла или источников с газовой агрегацией, что позволяет регулировать размеры кластеров.
Простейшие схемы кластерных источников с лазерной абляцией изображены на рис. 1.7. Здесь совмещаются импульсный источник с клапаном подачи газа, включающий сверхзвуковое сопло, и материал, подвергаемый лазерной абляции. В результате получаются кластеры, состоящие, например, из металла (Сu)n или соединений исходного газа и металла (СиАrn). Все источники нанокластеров дают пучки с широким распределением кластеров по размерам, поэтому вторым необходимым компонентом получения нанокластеров уже определенного размера с после дующим изучением их свойств служит применение масс-спектрометров (масс-анализаторов). ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования... Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|