Механизм образования янус-подобных наночастиц TaSi2@Si

Уникальные свойства композитных янус-подобных наночастиц обусловили интерес исследователей к их синтезу, о чем свидетельствует большое количество публикаций, например [1, с. 985-992], [2, с. 298-299]. Представляет большой интерес возможность дистанционного управления положением этих наночастиц с помощью магнитного поля с нанометровым разрешением. Такая возможность обусловлена наличием дипольного момента янус-подобных наночастиц, что, в свою очередь, вызвано разной природой их двух составных частей. В случае частицы TaSi₂/Si металлической проводимостью обладает соединение TaSi₂, а у кремния свободные электроны отсутствуют, что приводит к пространственному разделению электронов, появлению поляризации зарядов и наличию дипольного момента. Взаимодействие дипольного момента с внешними прикладываемыми магнитными полями позволяет изменять пространственную ориентацию янус-подобных наночастиц. Кроме того, силицид тантала (TaSi₂) имеет привлекательное сочетание свойств, включающее в себя высокую температуру плавления 5500 °С, низкое сопротивление, высокий модуль упругости, высокое сопротивление окислению на воздухе, а также относительно низкую плотность, а также хорошую совместимость с кремнием. Низкое сопротивление и устойчивость к окислению обусловили применение дисилицида тантала TaSi₂ в переключающих устройствах, в качестве барьеров Шоттки, омических контактов, соединителей в интегральных цепях. Приводятся данные [3. с. 69-73] о создании трещинностойкой керамики на основе нанопорошков Ta и Si, в процессе термического прессования которых образуется нанозеренная структура, содержащая фазы TaSi₂ и Si.

В настоящей работе впервые получены композитные янус-подобные (Janus-like) наночастицы TaSi₂/Si. Проведенный рентгенофазовый анализ установил, что композитный нанопорошок, содержащий эти частицы, состоит из смеси двух фаз: фазы TaSi₂ (номер карточки 38-483) и фазы Si (номер карточки 27–1402). В таблице 1 приведены данные РФА композитного нанопорошка TaSi₂/Si и сплава, образующегося в графитовом тигле после испарения.

Таблица 1

РФА анализ композитных нанопорошков TaSi₂/Si и сплава Ta-Si

SAED-исследования наночастиц TaSi₂/Si регистрируют наличие единственной фазы Si в одной половине частицы и танталсодержащую фазу во второй.

Композитные наночастицы не создаются, когда испаряются механически перемешанные два вещества Ta и Si, как показали данные TEM. Так как давление насыщенных паров Si при всех температурах намного выше, Si помещался внизу, а Ta – сверху в графитовом тигле. Если не учесть эту значительную разницу в давлениях насыщенных паров и облучать пучком электронов равномерно распределенную по объему тигля механическую смесь веществ Ta и Si, концентрация паров Si в испарительной камере будет значительно превышать концентрацию паров Ta. В результате создаются условия для синтеза обособленных наночастиц Ta и Si, а композитные наночастиц TaSi₂/Si не происходит. Аналогичная схема расположения веществ, учитывающая разницу в давлениях паров испаряемых веществ, использовалась при получении Cu@SiO₂ и Ag@Si . При испарении Ta и Si использовались близкие к Cu@SiO₂ и Ag@Si условия получения: ступенчатый подъем мощности электронного пучка, расход транспортного газа, геометрия установки. Однако создания частиц ядро-оболочка не происходит, как в случае образования Cu@SiO₂, Ag@Si, а образуются янус-подобные композитные наночастицы ТaSi₂/Si.

В результате аппроксимации гистограммы распределения частиц по размерам Ta-Si определены коэффициенты корреляции по логнормальному и гауссову законам, которые соответственно равны 0,95 и 0,93. Так как распределение частиц Та-Si может быть аппроксимировано как логнормальным распределением (рис. 1), так и гауссовым распределением (рис. 2), можно предположить, что механизм образования этих частиц является смешанным. На рис.1 и 2, по вертикальной оси N – число частиц, по горизонтали d – диаметр в нанометрах.

Рис. 1. Логнормальное распределение TaSi₂/Si

Рис. 2. Распределение Гаусса частиц TaSi₂/Si

Получение ультрадисперсных порошков при быстром нагреве вещества возможно по двум механизмам: жидкокапельному и конденсационному. В первом случае, в результате кипения жидкости, образованной нагревом вещества, в ней создаются пары этого вещества, которые формируясь в жидкие капельки, покидают поверхность нагреваемого вещества. Во втором случае, происходит образование пара над нагреваемым веществом с последующей его конденсацией и образованием наночастиц. Когда преобладает жидкокапельный механизм, происходит конденсация испаренных частиц на этих каплях.

Литература:

1. Sotiriou G. A., Hir A. M., Lozach P.-Y., Teleki A., Krumeich F. and Sotiris E. Pratsinis. Hybrid, Silica-Coated, Janus-Like Plasmonic-Magnetic Nanoparticles // Chem. Mater. 2011. 23(7).

2. Hao Chen. Structure and phase transformation of nanocrystalline and amorphous alloy thin films // Dissertation. DAI-B 67/11, p. 6668, May 2007. University of Illinoice at Urbana-Champaign. Publication Number 324814.

3. Ko I. Y., Park J. H., Nam K. -S., Shon I. J. Pulsed current activated combustion synthesis and consolidation of nanostructured TaSi₂ // J. of Ceramic Reseacrh. -2010. V. 11, N. 1.