RU2417831C1 - Device to produce nanoparticles - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: proposed device may be used in various branches of science and technology. It allows forming nanostructures from nanoparticles with low dispersion of sizes and features high efficiency. Device comprises assembly to form micro-drop flow, micro-drop charging assembly and nanoparticles precipitation assembly. Assembly to form micro-drop flow comprises metal needle and circular cathode inserted into circular groove of dielectric disk with central hole. Micro-drop charging assembly consists of two parts arranged in single dielectric case made up of hollow round cylinder. Nanoparticles precipitation assembly consists of disk cathode with central hole, anode and substrate. Control electrode is arranged around the clearance between assembly to form micro-drop flow and micro-drop charging assembly. Dielectric vase is fitted into solenoid inner chamber.

EFFECT: producing nanostructures from smaller-size nanoparticles with minor dispersion of sizes.

10 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам получения частиц нанометрового размера, которые находят применение в различных отраслях науки и техники, в частности металлические наноструктуры рассматриваются в качестве перспективного материала для создания новых сенсорных, электронных и оптоэлектронных приборов, а также при разработке новых типов высокоселективных твердотельных катализаторов.The invention relates to devices for producing nanometer-sized particles that are used in various fields of science and technology, in particular, metal nanostructures are considered as a promising material for creating new sensory, electronic and optoelectronic devices, as well as in the development of new types of highly selective solid-state catalysts.

Наноструктуры, имеющие поверхностную плотность частиц порядка 10¹² см^-2, перспективны для создания эффективных приборов наноэлектроники, таких как сверхбыстрые переключатели или сверхкомпактные ячейки памяти (К.H.Yoo, J.W.Park, J.Kirn, K.S.Park, J.J.Lee and J.B.Choi. Appt. Phys. Lett, 1999, v.74, №14, p.2073).Nanostructures having a surface density of particles of the order of 10 ¹² cm ^-2 are promising for the creation of efficient nanoelectronic devices such as ultrafast switches or ultracompact memory cells (K.H. Yoo, JWPark, J.Kirn, KSPark, JJLee and JBChoi. Appt. Phys Lett, 1999, v. 74, No. 14, p. 2073).

Так, при формировании плотноупакованных наноструктур с размером гранул ~4 нм возможно создание устройств памяти с плотностью записи информации ~10¹¹ бит/см² (F.Pikus and Likharev. Appl. Phys. Lett., 1997, v.71, p.3661; Y.Naveh and Likharev. Superlattices and Microstructures 2000, v.27, p.1). В предельном варианте уменьшение размера гранул до величины ~1 нм приводит к возрастанию плотности записи информации до 10¹² бит/см².So, when forming close-packed nanostructures with a granule size of ~ 4 nm, it is possible to create memory devices with an information recording density of ~ 10 ¹¹ bit / cm ² (F. Picus and Likharev. Appl. Phys. Lett., 1997, v. 71, p. 3666 ; Y. Naveh and Likharev. Superlattices and Microstructures 2000, v. 27, p. 1). In the extreme case, reducing the size of the granules to ~ 1 nm leads to an increase in the recording density of information to 10 ¹² bit / cm ² .

Также интенсивно развивается новое направление в каталитической химии - гетерогенный катализ на наноструктурированных материалах (П.С. Воронцов, Е.И.Григорьев, С.А.Завьялов, Л.М.Завьялова, Т.Н.Ростовщикова, О.В.Загорская. Хим. Физика, 2002, т.21, стр.1). Большинство исследуемых в лабораториях и применяемых в технологии катализаторов содержат наночастицы, т.е. частицы, размер которых лежит в диапазоне 1-100 нм. Фундаментальное отличие наночастиц от объемных материалов заключается в том, что в них доля поверхностных атомов соизмерима с числом атомов в объеме, а радиус кривизны поверхности сопоставим с постоянной решетки. Общепринято, что именно эти особенности обеспечивают высокую каталитическую активность наноструктурированных катализаторов по сравнению с их аналогами на основе объемных материалов. Для целого ряда важных практических применений наиболее перспективными являются катализаторы на основе металлических наноструктур, содержащие наночастицы Си, Pt, Pd, Ni, Fe, Co и других металлов.A new direction in catalytic chemistry is also developing rapidly - heterogeneous catalysis on nanostructured materials (P.S. Vorontsov, E.I. Grigoriev, S.A. Zavyalov, L.M. Zavyalova, T.N. Rostovschikova, O.V. Zagorskaya Chem. Physics, 2002, v.21, p. 1). Most of the catalysts studied in laboratories and used in technology contain nanoparticles, i.e. particles whose size lies in the range of 1-100 nm. The fundamental difference between nanoparticles and bulk materials is that in them the fraction of surface atoms is comparable with the number of atoms in the volume, and the radius of curvature of the surface is comparable to the lattice constant. It is generally accepted that precisely these features provide a high catalytic activity of nanostructured catalysts in comparison with their analogues based on bulk materials. For a number of important practical applications, the most promising are catalysts based on metal nanostructures containing nanoparticles of Cu, Pt, Pd, Ni, Fe, Co, and other metals.

Известно устройство для получение микрочастиц (см. патент US №7252814, МПК С01В 17/20, опубликован 07.08.2007), содержащее реакционную камеру с входным патрубком для подачи реагента и выходным патрубком для выхода получаемых кристаллических наночастиц. В камере размещен нагреватель для создания градиента температуры вдоль реакционной камеры, а также источник оптического излучения, создающий градиент интенсивности излучения вдоль реакционной камеры.A device for producing microparticles is known (see US patent No. 7252814, IPC СВВ 17/20, published 07.08.2007) containing a reaction chamber with an inlet pipe for supplying a reagent and an output pipe for outputting the resulting crystalline nanoparticles. A heater is placed in the chamber to create a temperature gradient along the reaction chamber, as well as an optical radiation source that creates a radiation intensity gradient along the reaction chamber.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют кристаллическую структуру, потому они, в отличие от аморфных наночастиц, коагулируют при соприкосновении. Соответственно, для формирования наноструктур с высокой поверхностной плотностью наночастиц следует использовать устройства, позволяющие формировать аморфные наночастицы.Nanoparticles obtained using a known device have a crystalline structure, because they, in contrast to amorphous nanoparticles, coagulate upon contact. Accordingly, for the formation of nanostructures with a high surface density of nanoparticles, devices should be used that allow the formation of amorphous nanoparticles.

Известно устройство для получения микроволокон из алмазных наночастиц (см патент RU №2244680, МПК С01В 31/06, В82В 3/00, опубликован 20.01.2005), содержащее импульсный He-Ne лазер, вакуумную камеру, заполненную буферным газом до давления 0,5 атм и снабженную оптическими окнами для ввода лазерного луча и наблюдения за ростом нитей с помощью внешнего оптического микроскопа. В камере смонтирована мишень на держателе, снабженном системой охлаждения до криогенных температур. Ось лазерного луча была перпендикулярна поверхности мишени. На расстоянии от мишени в камере расположено два металлических электрода по обе стороны оси лазерного луча и параллельно ему для создания электрического поля напряженностью 100-1000 В/см. После вакуумирования камеры в нее напускали углекислый газ до давления 0,5 атм.A device for producing microfibers from diamond nanoparticles is known (see patent RU No. 2244680, IPC СВВ 31/06, В82В 3/00, published January 20, 2005), containing a pulsed He-Ne laser, a vacuum chamber filled with buffer gas to a pressure of 0.5 atm and equipped with optical windows for inputting a laser beam and observing the growth of filaments using an external optical microscope. In the chamber, the target is mounted on a holder equipped with a cooling system to cryogenic temperatures. The axis of the laser beam was perpendicular to the surface of the target. At a distance from the target in the chamber there are two metal electrodes on both sides of the axis of the laser beam and parallel to it to create an electric field with a strength of 100-1000 V / cm. After evacuation of the chamber, carbon dioxide was injected into it to a pressure of 0.5 atm.

Известное устройство имеет ограниченную область применения.The known device has a limited scope.

Известно устройство для получения стеклянных наночастиц (см. заявка РСТ № WO 2008118536, МПК С03В 23/04, опубликована 02.10.2008), содержащее импульсный лазер, стеклянную мишень и подложку, на которую осаждаются получаемые наночастицы.A device for producing glass nanoparticles is known (see PCT application No. WO 2008118536, IPC С03В 23/04, published October 2, 2008) containing a pulsed laser, a glass target, and a substrate onto which the resulting nanoparticles are deposited.

Наночастицы, получаемые с помощью известного устройства, имеют широкий разброс размеров. К тому же устройство позволяет получать частицы из ограниченного числа материалов.Nanoparticles obtained using a known device have a wide range of sizes. In addition, the device allows to obtain particles from a limited number of materials.

Известно устройство для получения наночастиц (см. патент RU №2242532, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 20.12.2004), включающее заполненную инертным газом камеру, в которой размещены острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки. При подаче соответствующей разности потенциалов между острийным катодом и анодом с поверхности катода вылетают расплавленные капли, которые, пролетая через область плазмы, делятся, образуя наночастицы и более крупные, чем наночастицы, капли.A device for producing nanoparticles is known (see patent RU No. 2242532, IPC С23С 4/00, B01J 2/02, published December 20, 2004), including a chamber filled with an inert gas, in which a tip cathode, an anode with a hole, a cathode with a hole and ring anode on which the substrate is fixed. When an appropriate potential difference is applied between the tip cathode and the anode, molten droplets fly out from the surface of the cathode, which, flying through the plasma region, divide, forming nanoparticles and larger droplets than nanoparticles.

Структуры, фабрикуемые известным устройством, характеризуются уникальными электрическими, магнитными и каталитическими свойствами. Однако невысокая производительность устройства и высокая стоимость используемого оборудования существенно ограничивают возможности промышленного применения метода.Structures fabricated by the known device are characterized by unique electrical, magnetic and catalytic properties. However, the low productivity of the device and the high cost of the equipment used significantly limit the possibilities of industrial application of the method.

Известна установка для получения наночастиц (см. патент RU №2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, опубликован 27.11.2005), которая включает вакуумную камеру, в которой размещены острийный катод, анод с отверстием, катод с отверстием и кольцевой анод, на котором закреплены подложки, а также блок, создающий магнитное поле. Камера заполнена инертным газом при давлении 10^-3-10^-1 Па.A known installation for producing nanoparticles (see patent RU No. 2265076, IPC С23С 4/00, B01J 2/02, published November 27, 2005), which includes a vacuum chamber in which a pointed cathode, an anode with a hole, a cathode with a hole and a ring are placed the anode on which the substrates are fixed, as well as a block that creates a magnetic field. The chamber is filled with an inert gas at a pressure of 10 ⁻³ −10 ⁻¹ Pa.

Известная установка не позволяет распылять тугоплавкие материалы, требуется согласование вакуумных условий в камере формирования плазмы и в источнике капель.The known installation does not allow spraying refractory materials, coordination of vacuum conditions in the plasma forming chamber and in the source of droplets is required.

Известно устройство для получения наночастиц, совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип (см. М.В.Горохов, В.М.Кожевин, С.А.Гуревич, Д.А.Явсин, ЖТФ 2008, том 78, вып.9, стр.46). Установка для получения наночастиц состоит из трех узлов: узла формирования потока микрокапель, узла дозарядки микрокапель и узла осаждения наночастиц. Узел формирования потока микрокапель включает металлическую иглу, являющуюся анодом, и кольцевой катод с центральным отверстием. Узел дозарядки микрокапель включает металлический заземленный корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями, обеспечивающими выход потока электронов и прохождение генерируемых наночастиц. Узел осаждения наночастиц включает подложку. В корпусе установлен эмиттер электронов, который выполнен в виде вольфрамовых спиралей, подключенных к источнику тока.A device for producing nanoparticles is known, which coincides with the claimed technical solution for the largest number of essential features and is taken as a prototype (see M.V. Gorokhov, V.M. Kozhevin, S.A. Gurevich, D.A. Yavsin, ZhTF 2008, Volume 78, Issue 9, p. 46). An installation for producing nanoparticles consists of three nodes: a microdrop droplet forming unit, a micro droplet recharging unit, and a nanoparticle deposition unit. The microdroplet flow forming unit includes a metal needle, which is an anode, and an annular cathode with a central hole. The microdroplet reloading unit includes a metal grounded casing in the form of a hollow round cylinder with central end openings providing an exit of an electron flow and passage of generated nanoparticles. The nanoparticle deposition site includes a substrate. An electron emitter is installed in the housing, which is made in the form of tungsten spirals connected to a current source.

В устройстве-прототипе деление исходных капель происходит при пролете этих капель через сфокусированный у поверхности анода электронный пучок. Дальнейшее деление капель при пролете через узел дозарядки практически не происходит вследствие малой энергии электронов, покидающих эмиттер. Поэтому устройство позволяет получать частицы размером не менее 20-30 нм.In the prototype device, the division of the initial drops occurs when these drops pass through an electron beam focused at the anode surface. Further droplet division during passage through the recharging unit practically does not occur due to the low energy of the electrons leaving the emitter. Therefore, the device allows to obtain particles with a size of at least 20-30 nm.

Задачей заявляемого изобретения является разработка такого устройства для получения наночастиц, которое бы позволило формировать наноструктуры из наночастиц меньшего размера и с более узкой дисперсией размеров, чем получаемые устройством-прототипом, и к тому же имело повышенную производительность.The objective of the invention is the development of such a device for producing nanoparticles, which would allow the formation of nanostructures from nanoparticles of a smaller size and with a narrower dispersion of sizes than those obtained by the prototype device, and also had an increased productivity.

Поставленная задача решается тем, что устройство для получения наночастиц содержит узел формирования потока микрокапель, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц, установленные соосно и размещенные в вакуумной камере. Узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель и включает металлическую иглу, являющуюся первым анодом, и кольцевой катод, вставленный в кольцевой паз диэлектрического диска с центральным отверстием. Узел дозарядки микрокапель состоит из двух частей, установленных в одном диэлектрическом корпусе, который выполнен в виде полого круглого цилиндра с центральными торцовыми отверстиями. Первая часть узла дозарядки отделена от второй части кольцевой диэлектрической перегородкой. В первой части узла дозарядки установлены первый полый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов. Во второй части узла дозарядки установлены второй круглый цилиндрический катод и вторая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся третьим анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов. Узел дозарядки микрокапель вставлен в полость соленоида. Узел осаждения наночастиц включает дисковый катод с центральным отверстием, четвертый анод и подложку, устанавливаемую с осевым зазором относительно дискового катода. Вокруг зазора между узлом формирования потока микрокапель и узлом дозарядки микрокапель установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения.The problem is solved in that the device for producing nanoparticles comprises a micro-droplet flow forming unit, a micro-droplet recharging unit and a nanoparticle deposition unit, mounted coaxially and placed in a vacuum chamber. The micro-droplet flow forming unit is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit and includes a metal needle, which is the first anode, and an annular cathode inserted into the annular groove of the dielectric disk with a central hole. Microdroplet reloading unit consists of two parts installed in one dielectric casing, which is made in the form of a hollow round cylinder with central end openings. The first part of the recharging unit is separated from the second part by an annular dielectric partition. The first hollow circular cylindrical cathode and the first circular cylindrical metal grid, which is the second anode, between which the first electron emitter is placed, are installed in the first part of the recharging unit. In the second part of the recharging unit, a second round cylindrical cathode and a second round cylindrical metal grid are installed, which is the third anode, between which a second electron emitter is placed. The microdroplet reloading unit is inserted into the cavity of the solenoid. The nanoparticle deposition assembly includes a disk cathode with a central hole, a fourth anode and a substrate mounted with an axial clearance relative to the disk cathode. An annular control electrode connected to an adjustable voltage source is installed around the gap between the micro-droplet flow forming unit and the micro-droplet recharging unit.

Выполнение первой части узла дозарядки в виде первого полого круглого цилиндрического катода и первой круглой цилиндрической металлической сетки, между которыми размещен первый эмиттер электронов, позволяет получить поток высокоэнергетичных электронов, который обеспечивает интенсивное деление микрокапель на наночастицы. Однако выходящий из отверстия дискового катода поток высокоэнергетичных электронов вызывает нежелательное нагревание подложки, которое препятствует интенсификации процесса получения микрочастиц. Установка соленоида снаружи узла дозарядки микрокапель предназначена для отделения потока электронов от потока полученных наночастиц. Разделение этих потоков обеспечивает предотвращение нагрева подложки потоком электронов.The implementation of the first part of the recharging unit in the form of a first hollow circular cylindrical cathode and a first circular cylindrical metal grid, between which the first electron emitter is placed, allows to obtain a stream of high-energy electrons, which provides intensive division of microdrops into nanoparticles. However, a stream of high-energy electrons emerging from the hole of the disk cathode causes undesirable heating of the substrate, which prevents the intensification of the process of obtaining microparticles. Installing a solenoid outside the microdroplet recharging unit is designed to separate the electron stream from the stream of obtained nanoparticles. Separation of these streams ensures that the substrate is not heated by the electron stream.

Добавление второй части узла дозарядки в виде второго цилиндрического катода, второй цилиндрической сетки и второго эмиттера электронов позволяет осуществить контроль точки пространства, в которой происходит деление капель. Перемещение этой точки в область отверстия дискового катода приводит к повышению воспроизводимости и производительности процесса.Adding the second part of the recharging unit in the form of a second cylindrical cathode, a second cylindrical grid and a second electron emitter allows you to control the point of space at which the division of the drops occurs. Moving this point to the hole region of the disk cathode increases the reproducibility and productivity of the process.

В устройстве четвертый анод может быть выполнен в виде кольца или тора.In the device, the fourth anode can be made in the form of a ring or a torus.

Как первый, так и второй эмиттеры электронов могут быть выполнены в виде спирали из вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.Both the first and second electron emitters can be made in the form of a spiral of a tungsten filament placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source.

В устройстве диэлектрический диск с центральным отверстием, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод могут иметь одинаковые радиусы отверстий.In the device, a dielectric disk with a central hole, a dielectric body, an annular dielectric partition, and a disk cathode can have the same radius of the holes.

Управляющий электрод может быть выполнен в виде кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью, или в виде полого усеченного конуса.The control electrode can be made in the form of a ring with a cylindrical or concave inner surface, or in the form of a hollow truncated cone.

Заявляемое устройство для получения наночастиц иллюстрируется чертежами, где:The inventive device for producing nanoparticles is illustrated by drawings, where:

на фиг.1 изображена схема установки с двумя эмиттерами электронов;figure 1 shows a diagram of an installation with two electron emitters;

на фиг.2 изображена схема эмиттера электронов.figure 2 shows a diagram of an electron emitter.

Устройство для получения наночастиц (см. фиг.1) состоит из трех узлов: узла 1 формирования потока микрокапель, узла 2 дозарядки микрокапель и узла 3 осаждения наночастиц. Узел 1 формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла 2 дозарядки микрокапель. Узлы 1, 2, 3 помещены в вакуумную камеру (на чертеже не показана), давление в которой не превышает 10^-3 Па. Узел 1 формирования потока микрокапель состоит из металлической иглы 4, являющейся анодом, и кольцевого катода 5, вставленного в кольцевой паз диэлектрического диска 6 с центральным отверстием 7. Узел 2 дозарядки микрокапель состоит из двух частей, расположенных в одном диэлектрическом корпусе 8 в виде полого круглого цилиндра. Первая часть узла 2 дозарядки отделена от второй части кольцевой диэлектрической перегородкой 9. В первой части узла дозарядки в диэлектрический корпус вставлен первый полый круглый цилиндрический катод 10, а также первый эмиттер 11 электронов и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка 12, являющаяся вторым анодом. Внутренний радиус полого круглого цилиндрического катода 10 больше радиуса первой сетки 12, первый эмиттер 11 расположен между первым катодом 10 и первой металлической сеткой 12. В торцах диэлектрического корпуса 8 имеются центральные отверстия 13. Во второй части узла дозарядки, отделенной от первой части узла дозарядки диэлектрической перегородкой 9, в диэлектрический корпус 8 вставлен второй полый круглый цилиндрический катод 14, а также второй эмиттер 15 электронов и вторая круглая цилиндрическая металлическая сетка 16, являющаяся третьим анодом. Внутренний радиус второго полого круглого цилиндрического катода 14 больше радиуса второй сетки 16, второй эмиттер 15 расположен между вторым катодом 14 и второй металлической сеткой 16. Узел 3 осаждения наночастиц состоит из дискового катода 17 с центральным отверстием 18, четвертого анода 19 в виде, например, тора и подложки 20, установленной с осевым зазором относительно дискового катода 17 у четвертого анода 19. Радиусы отверстий 7, 13, 18 соответственно диэлектрического диска 6, диэлектрического корпуса 8 и дискового катода 17 предпочтительно выполняют одинаковыми и равными R, длина корпуса равна L. Узлы 1, 2, 3 собирают соосно. Вокруг зазора между узлом 1 формирования потока микрокапель и узлом 2 дозарядки микрокапель установлен управляющий электрод 21, подключенный к регулируемому источнику 22 напряжения. Управляющий электрод 21 может иметь форму кольца с цилиндрической или вогнутой внутренней поверхностью. Управляющий электрод 21 может быть выполнен в виде полого усеченного конуса, обращенного большим основанием к металлической игле 4. Металлическая игла 4, первая сетка 12 и четвертый анод 19 подключены соответственно к первому источнику 23 напряжения, ко второму источнику 24 напряжения и к третьему источнику 25 напряжения. Вторая сетка 16 подключена к четвертому источнику 26 напряжения. Как первый эмиттер 11 электронов, так и второй эмиттер 15 электронов выполнены (см. фиг.2) в виде, например, спирали из вольфрамовой нити 27, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику 28 тока. С целью отделения получаемых наночастиц от более крупных остатков недоделившихся капель четвертый анод 19 может быть выполнен в виде кольца или тора. Такое выполнение третьего анода 19 позволяет уменьшить дисперсию размеров наночастиц в формируемых структурах. Диэлектрический корпус 8 вставлен в полость 29 соленоида 30, подключенного к пятому источнику 31 напряжения.A device for producing nanoparticles (see Fig. 1) consists of three nodes: node 1 for forming a droplet flow, node 2 for recharging microdrops and node 3 for nanoparticle deposition. The micro-droplet flow forming unit 1 is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit 2. Nodes 1, 2, 3 are placed in a vacuum chamber (not shown in the drawing), the pressure in which does not exceed 10 ^-3 Pa. The microdroplet flow forming unit 1 consists of a metal needle 4, which is the anode, and an annular cathode 5 inserted into the annular groove of the dielectric disk 6 with a central hole 7. The microdroplet recharging unit 2 consists of two parts located in one dielectric body 8 in the form of a hollow round cylinder. The first part of the recharging unit 2 is separated from the second part by an annular dielectric partition 9. In the first part of the recharging unit, a first hollow round cylindrical cathode 10, as well as a first electron emitter 11 and a first round cylindrical metal grid 12, which is the second anode, are inserted into the dielectric body. The inner radius of the hollow circular cylindrical cathode 10 is greater than the radius of the first grid 12, the first emitter 11 is located between the first cathode 10 and the first metal grid 12. At the ends of the dielectric housing 8 there are central holes 13. In the second part of the recharging unit, separated from the first part of the recharging unit of the dielectric by a partition 9, a second hollow round cylindrical cathode 14, as well as a second electron emitter 15 and a second round cylindrical metal grid 16, which is the third at home. The inner radius of the second hollow circular cylindrical cathode 14 is greater than the radius of the second grid 16, the second emitter 15 is located between the second cathode 14 and the second metal grid 16. The nanoparticle deposition unit 3 consists of a disk cathode 17 with a central hole 18, the fourth anode 19 in the form, for example, the torus and the substrate 20 mounted with an axial clearance relative to the disk cathode 17 at the fourth anode 19. The radii of the holes 7, 13, 18 of the dielectric disk 6, the dielectric housing 8 and the disk cathode 17, respectively, are preferably are the same and equal to R, the length of the body is L. The nodes 1, 2, 3 are assembled coaxially. Around the gap between the micro-droplet flow forming unit 1 and the micro-droplet recharging unit 2, a control electrode 21 is connected to an adjustable voltage source 22. The control electrode 21 may be in the form of a ring with a cylindrical or concave inner surface. The control electrode 21 can be made in the form of a hollow truncated cone, facing a large base to the metal needle 4. The metal needle 4, the first grid 12 and the fourth anode 19 are connected respectively to the first voltage source 23, to the second voltage source 24 and to the third voltage source 25 . The second grid 16 is connected to a fourth voltage source 26. Both the first electron emitter 11 and the second electron emitter 15 are made (see FIG. 2) in the form, for example, of a spiral of tungsten filament 27 placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source 28. In order to separate the resulting nanoparticles from larger residues of unfinished droplets, the fourth anode 19 can be made in the form of a ring or a torus. This embodiment of the third anode 19 makes it possible to reduce the dispersion of nanoparticle sizes in the structures formed. The dielectric housing 8 is inserted into the cavity 29 of the solenoid 30 connected to the fifth voltage source 31.

Заявляемое устройство для получения наночастиц работает следующим образом. Расплавленный материал, из которого необходимо получить наночастицы, подается в узел 1 формирования потока микрокапель с помощью электрогидродинамического распыления. Полученные жидкие микрокапли этого материала пролетают через узел 2, в первой и второй частях которого они дозаряжаются потоком высокоэнергетичных электронов, испускаемых первым эмиттером 11 и вторым эмиттером 15 и ускоренных в пространстве соответственно между первым цилиндрическим катодом 10 и первой металлической сеткой 12 и между вторым цилиндрическим катодом 14 и первой металлической сеткой 16, до предела, при котором микрокапли начинают делиться. Образовавшиеся при делении микрокапель наночастицы осаждают на подложку 20, при этом магнитное поле соленоида 30 отводит от нее поток электронов, выходящий вместе с наночастицами из отверстия 18. В качестве подложки может быть применен любой твердый материал. В общем случае параметры потока электронов и время нахождения жидких капель в нем должны удовлетворять соотношениям:The inventive device for producing nanoparticles works as follows. The molten material from which it is necessary to obtain nanoparticles is fed into the microdroplet flow forming unit 1 by electrodynamic spraying. The obtained liquid microdroplets of this material fly through a node 2, in the first and second parts of which they are recharged by a stream of high-energy electrons emitted by the first emitter 11 and the second emitter 15 and accelerated in space between the first cylindrical cathode 10 and the first metal grid 12 and between the second cylindrical cathode 14 and the first metal mesh 16, to the limit at which microdrops begin to divide. The nanoparticles formed during the fission of microdrops are deposited on the substrate 20, while the magnetic field of the solenoid 30 removes an electron stream from it, leaving the nanoparticles from the hole 18. Any solid material can be used as the substrate. In the general case, the parameters of the electron flow and the residence time of liquid droplets in it should satisfy the relations:

где r - радиус заряжаемых жидких капель, м;where r is the radius of the charged liquid droplets, m;

Е - средняя энергия электронов, Дж;E is the average electron energy, J;

n - плотность потока электронов, м^-3;n is the electron flux density, m ^-3 ;

τ - время зарядки капель, с;τ is the droplet charging time, s;

σ - коэффициент поверхностного натяжения диспергируемого материала при температуре его плавления, Н/м;σ is the coefficient of surface tension of the dispersible material at its melting temperature, N / m;

е - заряд электрона, Кл;e is the electron charge, C;

m_e - масса электрона, кг.m _e is the mass of the electron, kg.

В заявляемом устройстве, использующем электрогидродинамическое распыление острийного анода, разность потенциалов между металлической иглой 4 и кольцевым катодом 5 в узле 1 формирования потока микрокапель U₀ должна удовлетворять соотношению:In the inventive device using electrohydrodynamic sputtering of the tip anode, the potential difference between the metal needle 4 and the annular cathode 5 in the node 1 forming the flow of microdrops U ₀ must satisfy the ratio:

где r_c - внешний радиус дискового катода 5, м;where r _c is the outer radius of the disk cathode 5, m;

r_a - радиус металлической иглы 4, м;r _a is the radius of the metal needle 4, m;

L₀ - расстояние от конца металлической иглы 4 до плоскости дискового катода 5, м.L ₀ is the distance from the end of the metal needle 4 to the plane of the disk cathode 5, m

Разность потенциалов U между первым цилиндрическим катодом 10 и первой цилиндрической металлической сеткой 12 выбирают в соответствии с требованием формулы (1), равным:The potential difference U between the first cylindrical cathode 10 and the first cylindrical metal mesh 12 is selected in accordance with the requirement of formula (1) equal to:

а разность потенциалов U₂ между вторым цилиндрическим катодом 14 и второй цилиндрической металлической сеткой 16 выбирают равной:and the potential difference U ₂ between the second cylindrical cathode 14 and the second cylindrical metal grid 16 is chosen equal to:

Разность U₁ потенциалов между дисковым катодом 17 и кольцевым анодом 19 в узле 3 осаждения наночастиц должна удовлетворять соотношению:The potential difference U ₁ between the disk cathode 17 and the annular anode 19 in the node 3 of the deposition of nanoparticles should satisfy the ratio:

где L₁ - расстояние от плоскости дискового катода 17 до плоскости кольцевого фокусирующего анода 19, м;where L ₁ is the distance from the plane of the disk cathode 17 to the plane of the annular focusing anode 19, m;

4·10⁴ - коэффициент пропорциональности, В/м.4 · 10 ⁴ - proportionality coefficient, V / m.

Разность потенциалов между дисковым катодом 5 и регулирующим кольцевым анодом 21 подбирают таким образом, чтобы ток, протекающий через металлическую иглу 4, удовлетворял соотношению:The potential difference between the disk cathode 5 and the regulating ring anode 21 is selected so that the current flowing through the metal needle 4, satisfies the ratio:

где χ - теплопроводность материала, Вт/(м·К);where χ is the thermal conductivity of the material, W / (m · K);

T_m - температура плавления проводящего материала, К;T _m is the melting temperature of the conductive material, K;

4,5·10^-8 - коэффициент пропорциональности, Вт/(м²·К⁴).4,5 · 10 ^-8 is the coefficient of proportionality, W / (m ² · K ⁴ ).

Ток в соленоиде подбирается таким образом, чтобы величина магнитной индукции В на его оси в центре соленоида удовлетворяла условию:The current in the solenoid is selected so that the magnitude of the magnetic induction B on its axis in the center of the solenoid satisfies the condition:

Пример. С помощью заявляемого устройства получали наночастицы меди из микрокапель, заряжаемых потоком высокоэнергетичных электронов. Микрокапли создавались методом электрогидродинамическго распыления медного острийного катода толщиной 300 мкм. Электронный поток создавался в камере дозарядки микрочастиц при ускорении электронов, эмитируемых набором вольфрамовых спиралей в зазоры соответственно между первым цилиндрическим анодом-сеткой и первым сплошным цилиндрическим катодом и между вторым цилиндрическим анодом-сеткой и вторым сплошным цилиндрическим катодом. Разность потенциалов между которыми составляла соответственно 0,71 кВ и 1,2 кВ, что обеспечивало выполнение условия (1). Соленоид создавал магнитное поле напряженностью 500 Гс.Example. Using the inventive device, copper nanoparticles were obtained from microdrops charged by a stream of high-energy electrons. Microdroplets were created by electrohydrodynamic sputtering of a copper tip cathode 300 μm thick. The electron flow was created in the microparticle recharging chamber during acceleration of electrons emitted by a set of tungsten spirals into the gaps, respectively, between the first cylindrical grid anode and the first solid cylindrical cathode and between the second cylindrical grid anode and the second solid cylindrical cathode. The potential difference between which was 0.71 kV and 1.2 kV, respectively, which ensured the fulfillment of condition (1). The solenoid created a magnetic field with a strength of 500 G.

Полученные наночастицы наносились на поверхность подложки, расположенной на выходе из камеры дозарядки микрочастиц. Радиус отверстий дискового катода и диэлектрического кожуха камеры дозарядки R=0,5 см, а длина диэлектрического кожуха L=10 см. При этих размерах диэлектрического кожуха выполнение условия (2) определяется выбором тока эмиссии с поверхности вольфрамовых спиралей, который выбирался равным I≈2 А.The obtained nanoparticles were deposited on the surface of a substrate located at the outlet of the microparticle recharge chamber. The radius of the holes of the disk cathode and the dielectric casing of the recharging chamber is R = 0.5 cm, and the length of the dielectric casing is L = 10 cm. For these dimensions of the dielectric casing, condition (2) is determined by choosing the emission current from the surface of the tungsten spirals, which was chosen to be I≈2 BUT.

При описанных выше режимах работы установки на подложке из окисленного кремния были получены наночастицы меди размером 5 нм. При этом работу устройства не приходилось останавливать для периодического охлаждения подложки. Отметим, что при отключении ускоряющего потенциала в камере дозарядки размер наночастиц, осаждаемых на подложке, был не менее 20-30 нм.Under the operating conditions of the installation described above, copper nanoparticles 5 nm in size were obtained on an oxidized silicon substrate. In this case, the operation of the device did not have to be stopped for periodic cooling of the substrate. Note that when the accelerating potential in the recharging chamber was turned off, the size of the nanoparticles deposited on the substrate was not less than 20-30 nm.

Claims (10)

1. Устройство для получения наночастиц, включающее узел формирования потока микрокапель, узел дозарядки микрокапель и узел осаждения наночастиц, установленные соосно и размещенные в вакуумной камере; узел формирования потока микрокапель установлен с осевым зазором относительно узла дозарядки микрокапель и включает металлическую иглу, являющуюся первым анодом, и кольцевой катод, вставленный в кольцевой паз диэлектрического диска с центральным отверстием; узел дозарядки микрокапель включает диэлектрический корпус в виде полого круглого цилиндра с центральными торцевыми отверстиями, в котором установлены первый круглый цилиндрический катод и первая круглая цилиндрическая металлическая сетка, являющаяся вторым анодом, между которыми размещен первый эмиттер электронов, отделенные кольцевой диэлектрической перегородкой от второго круглого цилиндрического катода и второй круглой цилиндрической металлической сетки, являющейся третьим анодом, между которыми размещен второй эмиттер электронов; при этом узел дозарядки размещен в полости соленоида, а узел осаждения наночастиц включает дисковый катод с центральным отверстием, четвертый анод и подложку, устанавливаемую на третьем аноде; при этом вокруг зазора между узлом формирования потока микрокапель и узлом дозарядки микрокапель установлен кольцевой управляющий электрод, подключенный к регулируемому источнику напряжения.1. A device for producing nanoparticles, including a node for forming a flow of microdrops, a node for recharging microdrops and a deposition unit for nanoparticles, mounted coaxially and placed in a vacuum chamber; the micro-droplet flow forming unit is installed with an axial clearance relative to the micro-droplet recharging unit and includes a metal needle, which is the first anode, and an annular cathode inserted into the annular groove of the dielectric disk with a central hole; the microdroplet recharging unit includes a dielectric body in the form of a hollow circular cylinder with central end openings, in which a first circular cylindrical cathode and a first circular cylindrical metal grid are installed, which is the second anode, between which the first electron emitter is located, separated by a ring dielectric partition from the second circular cylindrical cathode and a second round cylindrical metal grid, which is the third anode, between which a second electric emitter is placed thrones; wherein the recharge unit is located in the cavity of the solenoid, and the nanoparticle deposition unit includes a disk cathode with a central hole, a fourth anode and a substrate mounted on the third anode; at the same time, a ring control electrode connected to an adjustable voltage source is installed around the gap between the micro-droplet flow forming unit and the micro-droplet recharging unit. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что четвертый анод выполнен в виде кольца.2. The device according to claim 1, characterized in that the fourth anode is made in the form of a ring. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что четвертый анод выполнен в виде тора.3. The device according to claim 1, characterized in that the fourth anode is made in the form of a torus. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй эмиттеры электронов выполнены в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.4. The device according to claim 1, characterized in that the first and second electron emitters are made in the form of a tungsten filament placed on a circular cylindrical surface and connected to a current source. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй эмиттер электронов выполнен в виде вольфрамовой нити, размещенной по круглой цилиндрической поверхности и подключенной к источнику тока.5. The device according to claim 1, characterized in that the second electron emitter is made in the form of a tungsten filament placed on a round cylindrical surface and connected to a current source. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрический диск, диэлектрический корпус, кольцевая диэлектрическая перегородка и дисковый катод имеют одинаковые радиусы центральных отверстий.6. The device according to claim 1, characterized in that the dielectric disk, the dielectric body, the annular dielectric partition and the disk cathode have the same radii of the Central holes. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца.7. The device according to claim 1, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с цилиндрической внутренней поверхностью.8. The device according to claim 7, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring with a cylindrical inner surface. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде кольца с вогнутой внутренней поверхностью.9. The device according to claim 7, characterized in that the control electrode is made in the form of a ring with a concave inner surface. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что управляющий электрод выполнен в виде полого усеченного конуса. 10. The device according to claim 1, characterized in that the control electrode is made in the form of a hollow truncated cone.

Images