Нанокристаллы
Нанокристалл
это объект нанотехнологий на микроуровне: Наночастицы, нанопорошки — объекты, у которых три характеристических размера находятся в диапазоне до 100 нм. С другой стороны, объектом нанотехнологий (НТ) могут быть и макроскопические объекты, атомарная или молекулярная структура которых создаётся благодаря контролируемому запрограммированному распределению микрочастиц на уровне отдельных атомов или молекул. Эти материалы представляют огромный технологический интерес, так как многие из их электрических и термодинамических свойств показывают сильную зависимость от размера и поэтому они могут использоваться при помощи осторожных производственных процессов.
Какие же науки изучают нанокристаллы?
Нанотехнология
это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, занимающаяся новаторскими методами (в сферах теоретического обоснования, эксперементальных методов исследования, анализа и синтеза, а также в области новых производств) получения новых материалов с заданными нужными свойствами.
Кристаллография
это наука о кристаллах, их структуре, возникновении и свойствах. Она тесно связана с минералогией, физикой твёрдого тела и химией. Исторически кристаллография возникла в рамках минералогии, как наука, описывающая идеальные кристаллы.
Кристаллооптика
это наука, изучающая прохождение света через кристаллы и др. анизотропные среды. Сформировалась на стыке двух наук – оптики и кристаллофизики. Исследует закономерности таких явлений как: поляризация света, плеохроизм, двойное лучепреломление, вращение плоскости поляризации и др.
Кристаллохимия
это наука о кристаллических структурах и их связи с природой вещества. Кристаллохимия изучает пространственное расположение и химическую связь атомов в кристаллах, а также зависимость физических и химических свойств кристаллических веществ от их строения.
Виды нанокристаллов
Идеальный нанокристалл
это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее это математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл (кристалл) является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела.
Реальный нанокристалл
всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство - закономерное положение атомов в решётке.
Свойства нанокристаллов
Нанокристаллы ценны как материал, обладающий особыми физическими свойствами. Например, алмаз и боразон предельно тверды, флюорит прозрачен для широкого диапазона длин волн. Нанокристаллы способны менять свои свойства под влиянием внешних воздействий (света, механических напряжений, электрических и магнитного полей, радиации, температуры, давления).
Изделия и элементы, изготовленные из нанокристаллов, применяются в качестве преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике. Первоначально в технике использовались природных нанокристаллы, однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В тоже время многие ценные свойства были найдены только у синтетических нанокристаллов. Поэтому появилась необходимость искуственного выращивания.
Изделия и элементы, изготовленные из нанокристаллов, применяются в качестве преобразователей в радиоэлектронике, квантовой электронике, акустике, вычислительной технике. Первоначально в технике использовались природных нанокристаллы, однако их запасы ограничены, а качество не всегда достаточно высоко. В тоже время многие ценные свойства были найдены только у синтетических нанокристаллов. Поэтому появилась необходимость искуственного выращивания.
Способы получения
1
Метод Стокбаргера
В методе Стокбаргера тигель с расплавом перемещают вдоль печи в вертикальном направлении со скоростью 1 - 20 мм/ч. Температура в плоскости диафрагмы поддерживается равной температуре кристаллизации вещества.
Так как тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней нанокристаллов. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных нанокристаллов: флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др.
подробнее
Так как тигель имеет коническое дно, то при его медленном опускании расплав в конусе оказывается при температуре ниже температуры кристаллизации, и в нём происходит образование (зарождение) мельчайших кристалликов, из которых в дальнейшем благодаря геометрическому отбору выживает лишь один. Отбор связан главным образом с анизотропией скоростей роста граней нанокристаллов. Этот метод широко используется в промышленном производстве крупных нанокристаллов: флюорита, фтористого лития, сернистого кадмия и др.
подробнее
2
Метод Чохральского
В методе Чохральского нанокристалл медленно вытягивается из расплава. Скорость вытягивания 1 - 20 мм/ч. Метод позволяет получать нанокристалл заданной кристаллографической ориентации. Метод Чохральского применяется при выращивании нанокристалла иттриево-алюминиевого граната, ниобата лития и полупроводниковых нанокристаллов. А.В. Степанов создал на основе этого метода способ для выращивания нанокристаллов с сечением заданной формы, который используется для производства полупроводниковых нанокристаллов.
подробнее
подробнее
3
Метод Вернейля
Метод Вернейля бестигельный. Вещество в виде порошка (размер частиц 2--100 мкм) из бункера 1 через кислородно-водородное пламя подаётся на верхний оплавленный торец затравочного нанокристалла 2, медленно опускающегося с помощью механизма 5. Порошок вещества сыпется через пламя гремучего газа и капли расплава падают на затравочный кристалл. Метод Вернейля - основной промышленный метод производства тугоплавких нанокристаллов: рубина, шпинелей, рутила и др.
подробнее
подробнее
4
Метод зонной плавки
В методе зонной плавки создаётся весьма ограниченная по ширине область расплава. Затем благодаря последовательному проплавлению всего слитка получают нанокристалл. Метод зонного проплавления получил широкое распространение в производстве полупроводниковых нанокристаллов, а также тугоплавких металлический нанокристаллов: молибден, вольфрам и др.
подробнее
подробнее
5
Метод выращивания из раствора
Методы выращивания из раствора включают 3 способа:
- низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.)
- высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.)
- гидротермальный.
подробнее
- низкотемпературный (растворители: вода, спирты, кислоты и др.)
- высокотемпературный (растворители: расплавленные соли и др.)
- гидротермальный.
подробнее
