RU2756323C2

RU2756323C2 - Способ аэрозольного распыления наночастиц в постоянном электрическом поле

Info

Publication number: RU2756323C2
Application number: RU2019142195A
Authority: RU
Inventors: Стелла Владимировна Кутровская; Алексей Олегович Кучерик; Антон Владиславович Осипов; Владислав Дмитриевич Самышкин
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-09-29
Also published as: RU2019142195A3; RU2019142195A

Abstract

Изобретение относится к области создания анизотропных наноструктурированных пленок. Изобретение может быть использовано для создания новых элементов фотоники и оптоэлектроники. Способ аэрозольного распыления наночастиц в постоянном электрическом поле включает осаждение коллоидных наночастиц на твердые подложки в постоянном электрическом поле напряженностью 10⁵-10⁸ В/м, создаваемом между фокусирующей сеткой-катодом и нагреваемым металлическим основанием-анодом. Распыление на подложку проводится под давлением от 1 до 10 атм с покоординатным сканированием с заданной скоростью и расстоянием распыляющей форсунки - подложки с регулируемой за счет этого площадью покрытия и возможностью формирования тонкой пленки или слоистой структуры за счет многократного осаждения. Техническим результатом изобретения является контроль толщины получаемых пленок. 6 ил.

Description

Изобретение относится к области создания наноструктурных покрытий, состоящих из наночастиц различных материалов, и может использоваться в получении поверхностей с изменяемыми анизотропными свойствами.

Известно изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА КАПЕЛЬ СТРУИ РАСПЫЛЕННОЙ ЖИДКОСТИ"(Патент Ru № 2 433 872C1 МПК B05B 12/08(2006.01). Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике дисперсных потоков и может быть использовано в двигателестроении для определения дисперсных характеристик топливовоздушных струй, по которым можно судить о распределении капель струи по размерам. Устройство для определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости содержит форсунку, формирующую струю распыленной жидкости, и снабжено тензометрическим датчиком для регистрации динамики изменения давления жидкости в форсунке. Датчик связан через тензометрический усилитель с блоком обработки сигналов, скоростной видеокамерой для регистрации светового излучения, прошедшего через дисперсный поток воздуха, двумя кольцами. В каждом из колец оппозитно друг к другу расположены источник света и фотоэлемент, предназначенные для контроля одной и той же массы потока струи жидкости. Источник светового излучения выполнен в виде газового лазера. Оптическая система выполнена в виде расположенных последовательно с лазером коллиматора и диафрагмы. Форсунка с тензометрическим датчиком, диафрагма, коллиматор, скоростная видеокамера и два кольца закреплены в защитном кожухе. Технический результатом изобретения является повышенная точность и достоверность определения дисперсного состава капель струи распыленной жидкости, а также расширение диапазона регистрации размеров дисперсного потока капель жидкости вследствие отсутствия трансформации струи распыленной жидкости и, следовательно, дробления капель за счет внешних возмущающих сил.

Недостатком метода является то, что данное устройство определяет дисперсный состав микрокапель, а не контролирует равномерное нанесение наноструктур на поверхность.

Известно изобретение "ФОРСУНКА ДЛЯ РАСПЫЛЕНИЯ НАХОДЯЩЕЙСЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ЖИДКОСТИ" (Патент RU № 2 301 710 C2 МПК B05D 1/02 (2006.01).

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для регулировки выходной секции форсунки, и может применяться в промышленных установках. Устройство для распыления перенагретой жидкости в виде мелких капель с высокой скоростью имеет температуру перенагретой жидкости Т₀ и давление Р₀. Давление Р₀ превышает давление насыщенного пара Р_S при соответствующей температуре Т₀. Давление насыщенного пара P_S превышает давление Р₁ газообразной среды, в которую распыляется жидкость. Устройство имеет корпус форсунки, закрепленный на суппорте. Суппорт обеспечивает поступление перенагретой жидкости. Корпус форсунки имеет патрубок, в котором циркулирует перегретая жидкость. Форсунка имеет, по меньшей мере, одно сужающееся сопло и по меньшей мере один инжектор. Инжектор разгоняет перегретую жидкость для подачи в расширяющееся сопло. Расширяющее сопло увеличивает объем и разгон перегретой жидкости. Струя жидкости частично испаряется в сопле и взрывается под воздействием эффекта собственной упругости пара, с формированием смеси мелких капель и пара. Образующая расширяющегося сопла расположена под углом к образующей инжекторов в месте своего пересечения с ней. Выходное сечение сопла имеет размеры, обеспечивающие выбрасывание смеси из форсунки под давлением внешней среды Р₁ с максимальной скоростью. Изобретение позволяет распылять в виде мелких капель значительные объемы жидкости на очень больших скоростях, упростить конструкцию форсунки, повысить ее производительность и облегчить процесс изготовления.

Недостатком метода является то, что жидкость подаётся при высокой температуре и тем самым, это не позволит нанести слой наночастиц в коллоидном растворе без повреждений.

Известно изобретение "РАСПЫЛИТЕЛЬ ЖИДКОСТИ" Патент RU № 2 329 873 C2 МПК B05B 7/00 (2006.01), B05B 7/28 (2006.01)

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для распыления жидких сред, а именно к распылителям эжекционного типа с мелкодисперсным распылом капель жидкости. Распылитель содержит корпус, выходное сопло и патрубок подачи жидкости, соосно установленный в полости корпуса с образованием между внутренней поверхностью корпуса и патрубком подачи жидкости кольцевого канала, сообщенного с отверстием подвода газа. Кольцевой канал соединен с выходным соплом через направляющие каналы, торцевая часть патрубка подачи жидкости со стороны входа в выходное сопло и обращенная к ней часть выходного сопла выполнены в форме конических поверхностей. Профилированный канал выходного сопла включает последовательно расположенные входной кольцевой участок, сужающийся в направлении течения потока, и сопряженный с ним выходной цилиндрический участок. Входной участок профилированного канала сопла образован между конической поверхностью торцевой части патрубка подачи жидкости и конической поверхностью выходного сопла. Выходное сечение отверстия патрубка подачи жидкости расположено между выходным сечением входного конического участка и выходным сечением выходного цилиндрического участка профилированного канала сопла. Направляющие каналы ориентированы параллельно оси симметрии профилированного канала выходного сопла. Изобретение обеспечивает повышение эффективности генерации мелкодисперсного пространственно-однородного газокапельного потока, равномерности распределения монодисперсных капель жидкости в потоке и возможность регулирования параметров потока при снижении затрат на изготовление и эксплуатацию устройства.

Недостатком метода является то, что данное устройство не позволяет контролировать толщину слоя нанесённого материала и не способно распылять жидкости без периодической остановки.

Техническим результатом изобретения является усовершенствованный способ распыления наночастиц в постоянном электрическом поле, отличающийся тем, что при распылении коллоидных растворов, позволяет фокусировать капельный поток с помощью отрицательно заряженной сетки на поверхность нагреваемой подложки, которая в свою очередь эффективно испаряет жидкость и обеспечивает равномерное осаждение наночастиц без их дальнейшего перемещения в малой испаряющейся капле жидкости.

Технический результат достигается за счет способа, включающего осаждение коллоидных наночастиц на твердые подложки в постоянном электрическом поле напряженностью 10⁵-10⁸ В/м, создаваемом между фокусирующей сеткой-катодом и нагреваемым металлическим основанием-анодом, а также проведение распыления на подложку под давлением от 1 до 10 атмосфер с покоординатным сканированием с заданной скоростью и расстоянием распыляющей форсунки - подложки с регулируемой за счет этого площадью покрытия и возможностью формирования тонкой пленки или слоистой структуры за счет многократного осаждения.

Описание способа: из металлической распыляющей форсунки, прикрепленной к г-образно установленной штанге с помощью прямоугольного зажима (1), под давлением, нагнетаемым компрессором (1-10 атмосфер) распыляется коллоидный раствор с наночастицами металлов, через фокусирующую металлическую сетку к которой прикреплен отрицательный контакт для контроля траекторий разлета частиц (2), расположенную под соплом форсунки на регулируемом расстоянии до подложки, через которую распыляемый коллоидный раствор осаждается на подложку к которой подается положительный заряд, с температурой, задаваемой в диапазоне 20-100ºС за счет термоэлемента (3), находящуюся на координатном столике (4).Такая схема позволяет изменять углы разлета частиц и капель в процессе осаждения, так как коллоидные частицы имеют отрицательный заряд (фиг.1). В этом случае под действием электрического поля напряженностью 10⁵-10⁸В/м, проходя через сетку, все частицы приобретают ускорение, направленное в сторону положительного контакта - анода и фокусируются внутри каждой ячейки за счет кулоновского отталкивания от отрицательно заряженной поверхности сетки. При осаждении на подложку частицы из-за разности зарядов фиксируются на поверхности (Фиг.2).

Управление процессом распыления ведется при помощи сервопривода, программируемого микроконтроллером, что позволяет манипулировать расходом распыляемого коллоидного раствора. Выбор давления, подаваемого компрессором обусловлен тем, что в диапазоне от 1-10 атмосфер, происходит эффективное распыление без повреждения наночастиц и их агломератов. Скорость перемещения подложки при помощи координатного столика варьируется, в зависимости от расстояния распыляющей форсунки до поверхности осаждаемого слоя.

Схематическое изображение получаемой поверхности при использовании способа аэрозольного распыления наночастиц изображено на Фиг. 3. Осаждение внутри одной микрокапли показано на АСМ-изображении (Фиг.4). Таким образом изменяя диаметр ячейки сетки, расстояние между сеткой и подложкой, величину напряженности поля можно варьировать морфологией осаждаемого слоя. Многократное сканирование поверхности подложки позволяет формировать слоистые покрытия (Фиг.5).

Результатом использования такого способа является получение метаповерхностей с высокой анизотропией, что предопределяет оптические и электрофизические свойства покрытия в целом. Демонстрация анизотропии свойств неоднородных пленок в зависимости от средней толщины осажденного слоя наночастиц показана на Фиг.6: а) электрофизические свойства металлических пленок, проявляемые в отклонении вольт-амперных характеристик пленок от линейного закона Ома типичного для диапазона напряжений 0-1 В; б) оптические свойства спектров пропускания, в которых с ростом толщины пленки, наблюдается появление нетипичных дополнительных областей поглощения и пропускания излучения.

Claims

Способ осаждения коллоидных наночастиц на твердые подложки в постоянном электрическом поле напряженностью 10⁵-10⁸ В/м, создаваемом между фокусирующей сеткой-катодом и нагреваемым металлическим основанием-анодом, отличающийся тем, что проводят распыление на подложку под давлением от 1 до 10 атм с покоординатным сканированием с заданной скоростью и расстоянием распыляющей форсунки - подложки с регулируемой за счет этого площадью покрытия и возможностью формирования тонкой пленки или слоистой структуры за счет многократного осаждения.