Наночастицы ядро-оболочка, полученные методом испарения-конденсации

В настоящее время большое количество работ направлено на получение и исследование металлических наночастиц. В то же время до конца их свойства, особенно в их композиции с другими диэлектрическими веществами не изучены [1]. Данные материалы проявляют свойства, обусловленные квантоворазмерными эффектами, такими как высокая поглощающая способность электромагнитного излучения в ВЧ- и СВЧ- диапазонах, проявляющаяся в высоких значениях кубической восприимчивости [2]. Так, например, композиционные материалы, основанные на диэлектриках, содержащих металлические наночастицы, проявляют нелинейно-оптические свойства: наиболее высокое [3], из известных на сегодняшний день в литературе, значение 10^-7 ед. СГСЕ, измеренное вблизи длины волны 590 нм плазменного резонанса Cu наночастиц [3]. Достигнутое значение кубической восприимчивости для частиц меди является максимально приближенной к теоретически предсказываемым предельным величинам. Кроме того, установлено, что время нелинейно-оптического отклика оказывается короче 2 пикосекунд.

Получение наноразмерных структур: частиц, порошков, физическим способом - облучением вещества пучком электронов, является перспективным направлением получения чистых наноматериалов. Наночастицы меди окисляются, поэтому покрытие Cu герметичной оболочкой является важной задачей.

Впервые получены медные наночастицы в оболочке диоксида кремния Сu@SiO₂ физическим способом [5,6].

Композитные Cu/Si порошки получались с использованием электронного ускорителя прямого действия ЭЛВ-6.

Схема установки и принцип работы описан в [5,6]. Полученные наночастицы имеют сферическую форму - ядро-оболочка, частицы в основном отделены друг от друга.

Это имеет решающее значение для их использования не только в виде структурных единиц в различных устройствах, но что особенно важно, для их использования в качестве прекурсоров синтеза новых сложных наноструктур. Установлено HRTEM и EDX, что ядро меди не окисляется в течение длительного времени (более 4 лет).

Порошок, содержащий частицы Cu@SiO₂, хранился в негерметичной упаковке в течении 4 лет. HRTEM ядра частицы (рис.1 а) и поверхностного слоя (рис.1.б) Cu@SiO₂ из этого порошка, показывает наличие кристаллических плоскостей. SAED областей 1 и 2 на рис.1.а,б дает их значения, соответствующие меди. Эта особенность также имеет практическое значение, например, когда в проводящих композитных устройствах требуется неокисленная медь.

Рисунок. 1. HRTEM частицы Cu@SiO2: а – бездефектная часть ядра частицы, видны паралельные дифракционные линии от кристаллических плоскостей меди, б – изображение приоболочечной области

Кроме того, известно, что Cu имеет поверхностный плазмонный резонанс (ППР), обусловливающий поглощение электромагнитных волн в видимой области спектра, зависящий от диэлектрической проницаемости окружения. Процесс окисления быстро со временем изменяет ее диэлектрические свойства, что приводит к исчезновению ППР в видимой области спектра [8]. Внутреннее строение наночастиц наряду с высокой поверхностной энергией и размерным фактором предопределяет их многие физико-химические свойства.

Исследована структура наночастиц ядро-оболочка Сu@SiO₂ полученных под облучением релятивистским пучком электронов. Выявлено, что для получения таких наночастиц ядро-оболочка Сu@SiO₂ необходимо учитывать давление насыщенных паров испаряемых веществ. На основе частиц Cu@SiO₂ созданы наночастицы окиси меди в оболочке диоксида кремния CuO@SiO₂. Предложен новый метод обработки функции распределения частиц по размерам. С помощью него установлено, что в основе процесса образования наночастиц Cu@SiO₂ лежит коагуляция, формирование оболочки уменьшает размер частиц. Обсуждаются механизмы образования наночастиц ядро-оболочка Сu@SiO₂, Ag@Si.