Вопрос 2

Диапазон методов получения НРЧ чрезвычайно широк. Сформировались два основных подхода получения – конденсационный и диспергирующий. Первый из них связан со «сборкой» НРЧ из отдельных атомов, т. е. «снизу – вверх». Второй – с измельчением грубодисперсных частиц до размеров НРЧ, т. е. «сверху – вниз».

Наиболее важные способы получения НРЧ показаны на схеме рис. 2. Все эти методы можно подразделить на физические и химические методы, что и сделано на приведенной схеме. Хотя на самом деле трудно отделить физические процессы от химических. Например, в процессе вакуумной конденсации присоединение отдельного атома к зародышу наноразмерной металлической частицы вроде бы можно считать физическим процессом. Но в процессе такого присоединения происходит изменение электронной структуры адсорбированного атома. Валентные электроны начинают участвовать в образовании металлической связи. А как мы с вами знаем, процессы, происходящие с перестройкой электронной структура атома, относятся уже к химическим. То есть, это разделение на физические и химические методы довольно условно.

Тем не менее, считается, что основу физических способов получения составляют фазовые превращения первого рода в отсутствии химических реакций. Формирование зародышей новой фазы происходит в результате переохлаждения, или превышения предела растворимости (пересыщения).

Молекулярный метод.

Молекулярные пучки представляют собой непрерывные потоки нейтральных частиц в вакууме. Сущность метода состоит в том, что компактный источник, нагретый до высокой температуры в вакууме (не менее 1 ? 0,1 мПА), испускает атомы (молекулы) или их кластеры, которые конденсируются на подложке (рис. 3). Здесь 1 – испаряемое вещество, 2 – нагревательная камера с диафрагмой, 3 – нагреватель, 4 – подложка, 5 – откачка сосуда. Обычно испаряемое вещество помещают в нагревательную камеру с отверстием (диафрагмой), через которое испарившиеся частицы вещества попадают в вакуумное пространство, где и происходит формирование молекулярного пучка. Если проводить испарение в режиме, когда нет столкновений между частицами в пространстве диафрагмы (длина свободного пробега частицы больше диаметра диафрагмы), то истечение частиц из нагревательной камеры будет эффузионным. В этом случае распределение распыляемых частиц в пространстве будет приблизительно такое же, как для точечного источника и испускаемые частицы распространяются по законам геометрической оптики.

Молекулярные пучки при эффузионном истечении обладают малой интенсивностью порядка 10¹² ? 10¹⁴ частиц/(см²х с).

Испаряемое вещество помещают в тигель или лодочку из тугоплавких, химически инертных материалов (W, Ta, графит или стеклоуглерод), либо в корзиночку из вольфрамовой проволоки. Температуру источника выбирают в зависимости от требуемой интенсивности пучка и равновесного давления над испаряемым материалом. Она может быть выше или ниже температуры плавления вещества (например, возгонка Cr).

Способы нагрева материала могут быть различными: джоулевым теплом, индукционный и ВЧ - нагрев, лазерный, электронно-лучевой. Последние три способа допускают бестигельный вариант испарения, что повышает чистоту конденсата.

Следует отметить, что некоторые вещества испаряются как в виде отдельных атомов, так и в виде малых кластеров.

Основным достоинством метода молекулярных пучков является возможность точно регулировать интенсивность пучка и, следовательно, управлять скоростью подачи частиц в зону конденсации.

Метод нашел широкое применение для получения эпитаксиальных пленок и выращивания кристаллов. В промышленности его используют для получения проводящих и оптических покрытий и пленок, а в микроэлектронике – для локализации кристаллизации на выбранных участках. На пути пучка испаряемого материала помещают экран с отверстиями (маску). В этом случае данный метод позволяет выращивать наноразмерные (10 ? 100 нм) эпитаксиальные слои и создавать сверхрешетки из периодически чередующихся слоев разного состава с толщинами от монослоев до нескольких нанометров. Но это возможно только в условиях сверхвысокого вакуума (10^-4 ? 10^-5 мПа).