Осаждение из коллоидных растворов
Суть метода заключается в химической реакции между компонентами раствора и прерыванием в определенный момент времени с последующим переходом системы из жидкого коллоидного состояния в дисперсное твердое. За счет сильного межкластерного взаимодействия полученные кластеры могут существовать достаточно долгое время без осаждения. Коллоидные кластеры в жидкой фазе можно разделить на две группы: лиофильные (гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные). Кластеры леофильного типа окружены оболочкой, которая сохраняется, даже когда отдельные кластеры коагулируют или трансформируются в гелевые наносистемы.[8] Лифобные кластеры, наоборот, не адсорбируют молекулы растворителей на своей поверхности.
Метод обратных мицелл
Система обратных мицелл представляет собой две несмешивающихся жидкости: вода и масло, где водная фаза, диспергированная в нанокапли, окружена однослойной мембраной с поверхностно-активным агентом [8]. Монослой поверхностно-активного вещества на поверхности обратной мицеллы выступает в качестве оболочки, а капля воды внутри обратной мицеллы является водяным бассейном, который изолирован от других капель воды. Синтез НЧ с желаемыми геометрическими характеристиками основывается на ограничении размеров НЧ обратными мицелловыми оболочками, в которых растут НЧ.
Рисунок 2 Схематическое изображение химического реактора в обратной мицелле[8]
|
|
|
Синтез НЧ в тонких пленках металла
Простой альтернативный метод формирования наноструктур основан на распаде металлических тонких пленок на инертной подложке. Несмачиваемость - это спонтанное физическое явление, которое описывает разрыв тонкой жидкой пленки на подложке и образование капель или других форм наноструктур. Движущей силой для образования НЧ является минимизация полной энергии свободных поверхностей пленки и подложки и границы раздела пленка-подложка. Преимуществами этого метода являются сравнительно быстрая и простая подготовка образцов, гибкий и экономичный процесс изготовления, высокая чистота и образование монослоя НЧ. Основные недостатки лазерного метода связаны с неоднородностью обрабатываемой площади из-за структуры моды лазерного луча.
На поведение металлической пленки при распаде могут влиять многие параметры, включая начальную толщину и шероховатость поверхности пленки, теплопроводность подложки и характеристики используемого лазера [9].
Распад пленок может происходить при температурах, значительно ниже температуры плавления пленки, так что материал остается в твердом состоянии на протяжении всего процесса, и будет возникать при нагревании, если поверхностная энергия металла больше половины работы адгезии, в котором конечный угол контакта между пленкой и подложкой является энергетически выгодным. Смачивающая или несмачивающая природа пленки на подложке устанавливается коэффициентом расширения S: 
, где 
̶ свободная энергия подложки, 
̶ свободная энергия пленки, 
̶ свободная энергия взаимодействия подложки и пленки. Отрицательное значение коэффициента расширения свидетельствует о термодинамической нестабильности пленки на подложке, на поверхности которой в результате образуются капли, что свидетельствует о несмачиваемости поверхности (Рис. 3) [10].
|
|
|
Рисунок 3 (a)Схематичное представление распада пленки в качестве начального этапа феномена несмачиваемости при S<0; (b) Схема процесса распада пленки и образования капель[10]
Для спинодального распада жидких пленок (например, в виде пленок расплавленного металла) пленка проявляет корреляцию шероховатости сразу после приготовления. Во время теплового воздействия пространственная корреляция ухудшается с течением времени и поверхность пленки характеризуется тепловыми волнами, называемыми капиллярными волнами. Именно капиллярные волны создают шероховатость поверхности.
|
|
|
Когда силы Ван-дер-Ваальса между атомами пленки и атомами подложки меньше сил между самими пленочными атомами, длинная часть граничного потенциала делает пленку неустойчивой. Таким образом, неустойчивая пленка распадается как следствие колебаний высоты [11]. Для спинодального распада тонких пленок характерны зависимости расстояния между частицами и их диаметр от толщины пленки: <D> ~ h5/3 and <s> ~ h2 .
Рисунок 4 Схема спинодального распада тонкой пленки[11]
Установлено, что параметры сформированной матрицы НЧ - размер частиц и расстояние между частицами существенно зависят от окружающей среды образца во время процесса обработки.
При нахождении системы подложка-пленка в жидкой среде термодинамическая неустойчивость пленки является следствием присутствия неустойчивости Рэлея-Тейлора (РТ), возникающая между двумя контактирующими сплошными средами различной плотности (Рисунок 5). В отличие от классического случая неустойчивости, т.е. при толщине пленок существенно меньших капиллярных длин, что составляет порядка 0,1 мм для металлических пленок, гравитация не может играть роли в стабилизации/дестабилизации пленки [12].
|
|
|
Рисунок 5 ̶ Схематическая иллюстрация механизма нестабильности РТ на основе термически индуцированных градиентов давления [12]
В работе [13] демонстрируется распределение частиц, полученных в разных средах. Лазерное облучение проводились с помощью импульсного (10 нс) Nd:YAG лазера на длине волны 532 нм. В результате облучения пленок золота различной толщины (5 нм, 10 нм или 20 нм), нанесенные на подложки из стекла / FTO энергией 1 Дж / см2 в растворе глицерина и на воздухе были получены наноструктуры, отличающиеся характером распределения, средним расстоянием между частицами и размером частиц. Данные параметрами являются функциями от толщины пленки. На Рисунке 6 представлены схематические изображения полученных наночтруктур. Лазерное облучение пленок на воздухе приводит к бимодальному распределению по размерам в том смысле, что общая заселенность НЧ формируется субпопуляцией очень маленьких наноастиц (радиус менее 20 нм) и субпопуляцией более крупных (радиус выше 20 нм) (Рис.6а). Напротив, лазерное облучение пленок в глицерине (Рис 6b) приводит к уникальной совокупности НЧ с радиусом выше 20 нм.
Рисунок 6 -- Схема распределения НЧ Au на поверхностях FTO, полученных лазерным облучением пленок [13]
ВЫВОД
Характеристики процесса формирования НЧ методом несмачиваемости могут быть использованы для получения функциональных наноструктур на основе металлов.
Для эффективного практического применения метода формирования НЧ из тонких пленок требуется лучшее понимание влияния различных условий обработки на характеристики массивов НЧ. Таким образом, наноструктуры, полученные этим методом, требуют более детального изучения для оптимизации их функциональности для различных применений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Austin L. A. et al. The optical, photothermal, and facile surface chemical properties of gold and silver nanoparticles in biodiagnostics, therapy, and drug delivery //Archives of toxicology. – 2014. – Т. 88. – №. 7. – С. 1391-1417.
2. Kumar A., Zhang X., Liang X. J. Gold nanoparticles: emerging paradigm for targeted drug delivery system //Biotechnology advances. – 2013. – Т. 31. – №. 5. – С. 593-606.
3. Stratakis E., Kymakis E. Nanoparticle-based plasmonic organic photovoltaic devices //Materials Today. – 2013. – Т. 16. – №. 4. – С. 133-146.
4. Lindquist N. C. et al. Engineering metallic nanostructures for plasmonics and nanophotonics //Reports on Progress in Physics. – 2012. – Т. 75. – №. 3. – С. 036501.
5. Chen J. J. et al. Plasmonic photocatalyst for H2 evolution in photocatalytic water splitting //The Journal of Physical Chemistry C. – 2010. – Т. 115. – №. 1. – С. 210-216.
6. Gan Q., Bartoli F. J., Kafafi Z. H. Plasmonic‐enhanced organic photovoltaics: Breaking the 10% efficiency barrier //Advanced materials. – 2013. – Т. 25. – №. 17. – С. 2385-2396.
7. Li X. et al. Efficiency Enhancement of Organic Solar Cells by Using Shape‐Dependent Broadband Plasmonic Absorption in Metallic Nanoparticles //Advanced Functional Materials. – 2013. – Т. 23. – №. 21. – С. 2728-2735.
8. Климов В. Наноплазмоника //Российские нанотехнологии. – 2009. – Т. 4. – №. 9-10. – С. 14-15.
9. Oh, Y., & Lee, M. (2017). Single-pulse transformation of Ag thin film into nanoparticles via laser-induced dewetting. Applied Surface Science, 399, 555–564.
10. Ruffino F., Grimaldi M. G. Controlled dewetting as fabrication and patterning strategy for metal nanostructures //physica status solidi (a). – 2015. – Т. 212. – №. 8. – С. 1662-1684.
11. Gentili D. et al. Applications of dewetting in micro and nanotechnology //Chemical Society Reviews. – 2012. – Т. 41. – №. 12. – С. 4430-4443.
12. Yadavali S., Kalyanaraman R. Nanomaterials synthesis by a novel phenomenon: The nanoscale Rayleigh-Taylor instability //AIP Advances. – 2014. – Т. 4. – №. 4. – С. 047116.
13. Ruffino F. et al. Size-selected Au nanoparticles on FTO substrate: Controlled synthesis by the Rayleigh-Taylor instability and optical properties //Superlattices and Microstructures. – 2016. – Т. 100. – С. 418-430.
Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 238; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!