научная статья по теме ГЕНЕРАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКЛАСТЕРОВ И МИКРОЧАСТИЦ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКЛАСТЕРОВ И МИКРОЧАСТИЦ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 5, с. 782-791

УДК 533.476

ГЕНЕРАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОКЛАСТЕРОВ

И МИКРОЧАСТИЦ © 2015 г. Б. М. Смирнов1, Э. Е. Сон1, 2

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, 2Московский физико-технический институт E-mail: son.eduardgmail.com Поступила в редакцию 27.12.2014 г.

Рассмотрены процессы, протекающие при генерации металлических кластеров нанометровых размеров, которые образуются из атомного металлического пара, полученного при нагревании металлических микрочастиц под действием микроволнового излучения или электронного пучка. Проанализировано уравнение теплового баланса для нагретой микрочастицы, которая теряет энергию в результате теплового излучения, испарения атомов с ее поверхности и переноса тепла в окружающем газе за счет теплопроводности. Получены численные данные в случае нагревания микрочастиц серебра и алюминия, обсуждаются прикладные аспекты рассматриваемого генератора пучков металлических кластеров.

БО1: 10.7868/80040364415050257

ВВЕДЕНИЕ

В ОИВТ РАН в последние годы проводятся исследования, направленные на использование микрочастиц алюминия для получения электрической энергии. Развитая для этой цели экспериментальная техника позволила решать другие технологические задачи. В частности, газоразрядная плазма, в которую введены микрочастицы алюминия, обладает высокой поглощательной способностью для СВЧ-излучения и радиоволн и может быть использована для экранировки электромагнитных полей. Кроме того, такая плазма повышает эффективность образования водорода при плазмохимической генерации молекулярного водорода из воды [1—3]. Анализ этих экспериментальных исследований для аргоновой плазмы, в которую введены микрочастицы алюминия, показывает еще одно интересное свойство данного объекта. Взаимодействие плазмы с микрочастицами приводит к нагреванию микрочастиц и их испарению. Атомы алюминия объединяются в нанокластеры в пространстве около микрочастиц, и именно нанокластеры ответственны за высокую химическую активность данной плазмы, т.е. именно они являются наиболее химически активной формой алюминия в плазме. При этом согласно проведенному анализу [4] испарение микрочастиц происходит под действием внешнего поля, поддерживающего газоразрядную плазму. Отсюда возникает естественный вывод о необходимости разделения области генерации кластеров и области протекания плазмохи-мического процесса. Тогда оптимизация условий

в каждой из указанных областей позволит увеличить эффективность процесса. В этом случае кластеры образуются в отдельной камере и далее вводятся в плазму, где протекает плазмохимический процесс. Однако полученный в результате этого генератор нанокластеров может быть использован как для проведения химических процессов, так и для других целей. Кроме того, общая схема генерации кластеров может быть рассмотрена как источник кластеров не только алюминиевых, но и других металлических кластеров.

Анализу генератора металлических кластеров, схема которого связана с испарением металлических микрочастиц и последующим образованием кластеров нанометровых размеров из атомного металлического пара, и посвящена данная статья.

1. ПРОЦЕССЫ В ГЕНЕРАТОРЕ КЛАСТЕРОВ

Схема генерации кластеров представлена на рис. 1 [5]. В схеме металлические микрочастицы вводятся в вертикальный поток аргона таким образом, чтобы они повисали в конической области камеры агрегации. Это означает равновесие микрочастицы в потоке аргона, т.е. сила трения уравновешивается весом микрочастицы. По мере испарения микрочастицы она поднимается в более широкое сечение камеры агрегации, где сила трения ниже. В результате, находясь в области пространства, где сфокусировано СВЧ-излучение или концентрированный электронный пучок, микрочастица почти полностью испаряется, находясь в равновесии с потоком аргона. Образованные при этом металлические атомы в более

холодной области пространства объединяются в кластеры, так что далее металлические атомы в потоке аргона отсутствуют. В последующем металлические кластеры растут в потоке в результате коагуляции, хотя данный канал нуклеации является гораздо более медленным, чем процесс генерации кластеров из испаренных атомов. В результате можно регулировать характерный размер кластеров на выходе длиной пути, который они проходят до выхода. Можно остановить этот процесс, зарядив кластеры пучком электронов или проводя их через плазму или электронную завесу. Далее полученные таким образом кластеры используются для прикладных целей.

Оценим параметры генератора кластеров, ориентируясь на выходные параметры магнетронно-го генератора кластеров серебра и уравнивая интенсивность потока серебра в магнетронном генераторе кластеров: / = ц/ = 4 мкг/с [6] — и в рассматриваемом случае. Возьмем средний радиус кластера в магнетронном источнике г0 = 3 нм, что соответствует интенсивности кластеров в выходном пучке / = 4 х 1012 1/с. Так как радиус ячейки Вигнера—Зейтца для серебра равен [7, 8] гж = 1.66 А, среднее число атомов в кластере серебра п = (г0/гж)3 « 6000, а масса кластера ц = 1.1 х 10-18 г. Пусть эти кластеры образуются из микрочастицы радиуса Я = 100 мкм, что соответствует массе микрочастицы М = 39 мкг. Отсюда следует, что для обеспечения интенсивности кластеров магнетронного источника необходимо использовать одну микрочастицу примерно в 4 с.

Скорость падения и0 микрочастицы радиуса г в газе под действием ее веса равна [9],

О0 =

_ 2рг g

9п '

(1)

где п — вязкость газа, g — ускорение свободного падения. Если рассматриваемая микрочастица падает в аргоне при температуре Т = 300 К, имеем и0 = 8.9 м/с. Это дает для интенсивности потока аргона

/Аг = п я2 и N. (2)

Здесь Я0 — радиус нижней части камеры агрегации, N — плотность атомов аргона. Если взять Я0 = 2 мм и давление аргона 0.1 атм. при температуре на входе Т = 300 К, получим для потока аргона /Аг = 2.8 х 1020 атм/с = 18 мг/с.

2. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРИ НАГРЕВАНИИ МИКРОЧАСТИЦЫ

Чтобы определить энергетические параметры генератора металлических кластеров, рассмотрим тепловой баланс микрочастицы, нагреваемой под

2

Рис. 1. Схема генерации металлических нанокласте-ров: 1 — инжекция металлических микрочастиц, 2 — поток аргона, 3 — область возбуждения под действием СВЧ-излучения или концентрированного электронного пучка, 4 — выходная трубка, 5 — выход.

действием СВЧ-излучения или электронного пучка. Учитывая возможные каналы рассеяния энергии нагретой частицей, представим уравнение баланса частицы в виде

Р = Ргаё + Реу + р!ьегш' (3)

где Р — полная мощность, поглощаемая частицей от СВЧ-источника или электронного пучка,

Ргай = а4пг 2аТ4 — мощность, рассеиваемая частицей за счет излучения, так что а — коэффициент серости для материала частицы, г — текущий радиус частицы, Т — ее температура, а — коэффициент Стефана—Больцмана. Далее, Реу = veуs0 — мощность, затрачиваемая на испарение атомов с поверхности частицы, уеу — скорость испарения атомов с поверхности частицы, е0 — энергия, затрачиваемая на испарение одного атома, Р1Ьегш — мощность, передаваемая газу от частицы в результате теплопроводности газа. На основе этого представим уравнение теплового баланса в виде

Р = а4пг 2стТ4 + V + Р^егш. (4)

Теперь более детально рассмотрим отдельные члены этого уравнения теплового баланса. Отметим, что мы рассматриваем микрочастицу как макроскопическую систему, так что ее текущий радиус г удовлетворяет критериям г > X, г > X, где X — длина волны испускаемого фотона, 8 — глубина проникновения электромагнитной волны внутрь микрочастицы. Тогда взаимодействие электромагнитной волны с микрочастицей осуществляется в приповерхностном слое в результате скин-эффекта и коэффициент серости а по-

1

Таблица 1. Параметры теплового баланса для нагретой микрочастицы серебра при ее радиусе 100 мкм

Т, К 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200

а 0.141 0.147 0.153 0.159 0.165 0.171 0.177

Р, мВт 73 83 98 120 170 270 460

5, % 1.3 3.9 10 22 40 58 73

т, с 110 31 10 3.7 1.5 0.65 0.31

йт , —, мкг/с Л 0.36 1.3 3.9 11 26 60 130

верхности частицы выражается через проводимость X материала частицы, которая для металлической микрочастицы предполагается большой по сравнению с частотой ю излучения, т.е. £ > ю. В этом случае коэффициент серости микрочастицы определяется формулой [10]

* = .а

1п 11)-П + 1

, а = ^, (5)

\а/ 2 J

причем малость коэффициента серости микрочастицы определяется высокой проводимостью металла. В частности, в случае серебра используем его проводимость в области температур 300-900 К, где мы имеем на основе [11]

ЦТ) = Ц

и 20 = 5.52 х 1017 с-1 является проводимостью серебра при температуре Т = 300 К.

Ориентируясь на температуру микрочастицы серебра Т « 2000 К, воспользуемся законом Вина [12] для длины волны X т = 1.45 мкм, при которой спектральная мощность излучения имеет максимум для указанной температуры. Эта длина волны соответствует частоте электромагнитной

волны ю = 1.3 х 1015 с-1 Т/2000, что дает для малого параметра формулы (5) а = 1.6 х 10-3 при Т = 2000 К. В случае малости этого параметра коэффициент серости металла аппроксимируется зависимостью [10]

! т \ 0.714

а(Т) = 0.165) , (7)

\2000/

причем значения коэффициента серости для серебра даны в табл. 1 для рассматриваемой области температур.

Проанализируем испарение нагретой микрочастицы в диффузионном режиме процесса [13], если длина свободного пробега атомов аргона в аргоне мала по сравнению с радиусом микрочастицы. В частности, при температуре аргона Т = 2000 К и давлении р = 0.1 атм. этот критерий для радиуса микрочастицы записывается как г0 > 0.8 мкм. Для энергии связи атомов в микрочастице с учетом поверхностной энергии имеем

300)1 12

(6)

для полной энергии связи атомов Еп в микрочастице [14]

Еп = 60« - Ап2/3, (8)

где п - число связанных атомов микрочастицы, е0 — энергия связи на атом для макроскопической частицы, когда поверхностная энергия несущественна, А — удельная поверхностная энергия атомов. Формула (8) представляет полную энергию микрочастицы как сумму объемной и поверхностной энергий и может быть рассмотрена как разложение полной энергии связ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»