Нитевидные кристаллы

Нитевидные кристаллы
Выполнила студентка 553 гр.
Антоневич Юлия
Основные вопросы:
 Что такое нитевидные кристаллы?
 Свойства нитевидных кристаллов.
 Получение нитевидных кристаллов.
 Рост нитевидных кристаллов на
примере SnO2
Нитевидные
нанокристаллы
(«усы»,
вискеры) - это кристаллические твердые
тела, длина которых намного превышает
поперечные
размеры.
Последние
принадлежат нанометровому диапазону.
Свойства н.к..
 высокая температура плавления и прочности,
 высокий модуль упругости,
 химически
инертны по отношению ко многим
металлическим,
полимерным
и
керамическим
материалам до весьма высоких температур,
 в Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не
могут идти процессы рекристаллизации, обычно
вызывающие резкое падение прочности при высоких
температурах.
Наиболее важное свойство Н. к. - уникально высокая
прочность.
Высокая прочность Н. к. объясняется совершенством их структуры и
значительно меньшим количеством (а иногда полным отсутствием)
объёмных и поверхностных дефектов (одна из важнейших причин малой
дефектности Н. к. - их малые размеры, при которых вероятность
присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика).
Свойства некоторых н.к.
.
Методы получение н.к.
 физическое испарение с последующей конденсацией,
 осаждение из газовой фазы при участии химических
реакций,
 кристаллизация
из
растворов,
кристаллизация эвтектических сплавов,
направленная
 выращивание на пористых мембранах и др,
 Н.к.
тугоплавких металлов и соединений обычно
получают методом осаждения из газовой фазы в
высокотемпературных
печах
периодического,
полунепрерывного или непрерывного действия.
Эпитаксиальный метод:
Массив н.к. GaAs, выращенных на поверхности
GaAs
с
помощью
каплями золота.
активации
последней
Рост н.к.: на кристаллической подложке формируют
капли металла - катализатора роста. Затем к
поверхности роста подают материал н.к., который
кристаллизуется под металлической каплей с большей
скоростью, чем на неактивированной поверхности
Схематичное изображение роста н.к. Вначале
поверхность
подложки
активируют
—
формируют на ней капли расплава. Затем
осаждают материал и н.к. растет в
активированом месте подложки.
Пример использования н.к.
Вначале к кристаллу присоединяются
антитела, которые могут
взаимодействовать с "враждебной"
молекулой.
Последняя (шарики с пупырышками на
рисунке) достаточно большая и несет
некоторый заряд. Прикрепляясь к
нанокристаллу
через
антитело
молекула
меняет
проводимость
кристалла,
что
регистрируется
внешним прибором.
Рост Н.к. SnO2
 Обладает полупроводниковыми свойствами n- типа с
шириной запрещенной зоны 3.6 эВ при 300 К, в связи
с этим уникальными электрическими и оптическими
характеристиками.
 Тонкие пленки SnO2 используются в прозрачных
проводящих электродах и солнечных батареях , а
легирование SnO2 дает возможность получать
материалы, обладающими хорошими сенсорными
характеристиками.
Методика эксперимента.
 Подготовка порошка SnO
 Тугоплавкую лодочку с порошком SnO помещали в
горячую зону трубчатой печи, синтез проводили в токе
азота согласно температурному режиму, подобранному
экспериментально (рис.1а)
 Металлические пластинки Sn и Pt помещали в более
холодную зону, осаждение продуктов при этом
происходило на стенки лодочки и на поверхность
металлических пластинок.(рис.1б)
•
Высокотемпературная
микроскопия
проводилась на оптическом микроскопе.
При этом осаждение продуктов происходило
на сапфировую подложку, а температурный
режим состоял из быстрого нагрева со
скоростью 50С/мин до температуры 1050С и
последующей
выдержкой
температуре в течение 20 минут.
при
этой
Результаты эксперимента:
 выход
продуктов
в
этих
оказывался слишком мал.
экспериментах
 температурный режим оптимизировали. Затем
был добавлен дополнительный этап выдержки
при 250-400С. В результате экспериментально
было показано, что оптимальным режимом
является рост при температуре 1050С с
предварительным прогревом прекурсора при
350С (рис.1а). Выход продукта при этом вырос
приблизительно в 70 раз.
Рост кристаллов в эксперименте с добавлением
металлических пластинок Sn и Pt
В качестве подложек были выбраны оловянные и платиновые
пластинки (сильноразветвленные, изогнутые нитевидные кристаллы
длиной от десятка микрон до нескольких миллиметров и диаметром
в интервале от нескольких нанометров до нескольких микрон).
Механизм роста кристаллов по схеме «Пар –
жидкость – кристалл»
На рисунке приведены данные рентгеновской дифракции перетертых вискеров
SnO2. Все отражения были отнесены к тетрагональной модификации SnO2
(карточка PDF-2 №77- 447). Летучий компонент жидкость ПАР кристалл ПАР
• Образование в реакционном пространстве капель олова, играющих роль
зародышей для роста будущих кристаллов. Пары ростового компонента SnO2,
возникающие в результате диспропорционирования SnO в газовой фазе, током
азота переносились в более холодную зону, где они растворялись в каплях
металлического олова и транспортировались через жидкую фазу к телу
растущего кристалла.
(Осаждение на платиновую подложку привело к образованию продуктов. Были
получены практически гладкие и малоразветвленные кристаллы.)
Методом РСМА показано, что Pt практически отсутствует в
составе полученных на платиновой подложке вискеров
При этом на поверхности платиновой образуется пленка
олова. На концах некоторых вискеров видны застывшие
капельки , что является наиболее ярким свидетельством
в пользу гипотезы о росте кристаллов по механизму
ПЖК.
Рост кристаллов в экспериментах в
высокотемпературной приставке для
оптического
Микроскопа
 Синтез проводили в специальной приставке
для оптического микроскопа, осаждение
продуктов происходило на сапфировую
подложку. При этом на более холодной
поверхности сапфировой пластинки
наблюдался рост вискеров.

Конец вискера имеет область, покрытую материалом,
отличным от материала тела вискера. Этот вывод можно сделать
на основании меньшей интенсивности свечения концевой области.
Предположительно, данная область представляет собой
растекшуюся каплю металлического олова.
• Рост вискеров происходил в двух предпочтительных ориентациях .(рис) Учитывая
тот факт, что вискеры в диаметре достигают нескольких микрометров, а средняя
шероховатость поверхности сапфировой пластины составляет не более нескольких
нанометров влиянием дефектов поверхности на рост кристаллов можно пренебречь.
Сенсорные свойства нитевидных кристаллов SnO2
Сенсорные свойства вискеров были охарактеризованы путем измерения изменения
сопротивления пучка нитевидных кристаллов, синтезированных в экспериментах с
добавлением олова, при введении паров двуокиси азота в измерительную камеру
(рис.9).