Способ получения наноразмерных частиц оксидов металла в восходящих плазменных потоках

Изобретение относится к способам получения частиц нанометрового размера, которые находят применение в различных областях науки и техники, в частности, наночастицы оксидов металлов могут использоваться в медицине в качестве компонент оболочки микрокапсул для прецизионной доставки лекарств к больным органам.

Известен способ получения наночастиц, включающий диспергирование материала путем приложения к острийному катоду из проводящего материала с радиусом кривизны острия не более 10 мкм электрического поля с напряженностью поля на вершине острия не менее 10⁷ В/см, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму электрического разряда с длительностью импульса не менее 10 мкс, создаваемого в инертном газе при давлении 10^-3-10^-1 Па между электродами при разности потенциалов не менее 2 кВ и одновременном воздействии магнитным полем напряженностью не менее 600 Гс, нормальным к упомянутому электрическому полю, создающему упомянутую плазму, охлаждение в инертном газе образовавшихся в упомянутой плазме жидких наночастиц до затвердевания и нанесения полученных твердых наночастиц на носитель, при этом параметры упомянутой плазмы удовлетворяют соотношениям (см. патент РФ № 2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02).

Однако данный способ позволяет получать только аморфные наноразмерные частицы, при этом необходимо предварительное плавление материалов.

Известен способ получения ультрадисперсных оксидов элементов распылительным термолизом растворов элементсодержащих соединений в низкотемпературном плазменном потоке при атмосферном давлении с последующим выделением целевого продукта. Распылительному термолизу подвергают органические или водно-органические растворы элементсодержащих соединений, газокапельный поток которых после стадии распыления подают под углом 30-60° вместе с симметричным потоком молекулярного кислорода в вертикально истекающий поток кислородной плазмы, имеющей температуру 2500-3500 К (см. патент РФ № 2073638, МПК С01В 13/14, С01В 13/28).

К недостаткам данного способа следует отнести необходимость предварительного получения водно-органических растворов элементсодержащих соединений, подготовку газокапельного потока, содержащего мелкодисперсные взвеси элементсодержащих соединений, что усложняет реализацию данного способа.

Наиболее близким к заявленному является способ синтеза нанопорошка оксида металла из паров соединения металла, заключающийся в том, что генерируют струю индукционной плазмы путем пропускания рабочего газа через высокочастотное электромагнитное поле; вводят упомянутые пары соединения металла и упомянутую струю индукционной плазмы через первый осевой конец реактора, причем под воздействием упомянутой струи плазмы пары соединения металла достигают температуры реакции и реагируют с упомянутым рабочим газом с получением наноразмерных частиц оксида металла; быстро охлаждают упомянутые наноразмерные частицы оксида металла в зоне быстрого охлаждения упомянутого реактора, расположенной ниже по потоку относительно упомянутого первого осевого конца, тем самым останавливая процесс роста упомянутых наноразмерных частиц оксида металла, с получением нанопорошка оксида металла; и собирают упомянутый нанопорошок оксида металла ниже по потоку относительно упомянутой зоны быстрого охлаждения; причем комбинация а) реагирования соединения оксида металла с упомянутой индукционной плазмой, обеспечивающей разряд достаточно большого объема и достаточно длительного времени пребывания в упомянутом реакторе, и б) упомянутого быстрого охлаждения полученных наноразмерных частиц в зоне быстрого охлаждения; позволяет регулировать размеры упомянутых частиц оксида металла (см. заявку на изобретение № 2005121271, МПК С01В 13/28).

К недостаткам данного способа следует отнести высокую затрачиваемую мощность для генерации индукционной плазмы, сложность контроля процесса быстрого охлаждения полученных наноразмерных частиц, являющегося определяющим в данном способе. Существенным недостатком также является необходимость предварительного получения и испарения исходного соединения металла. Обе эти операции также требуют прецизионных методов контроля.

Задачей изобретения является получение наноразмерных кристаллических частиц оксида металла в восходящих плазменных потоках, где активация реакции и сам процесс синтеза наночастиц происходит в одной и той же области плазменного потока.

Техническим результатом способа является существенное упрощение технологии за счет исключения предварительных операций синтеза соединения металла и его испарения, необходимости быстрого охлаждения, снижения энергопотребления.

Для решения поставленной задачи распыляют в магнетронной распылительной системе на постоянном токе металлическую мишень, выступающую в роли катода. Распыление осуществляют в магнитном поле, обеспечивающем попадание атомов металла из зоны распыления в восходящий плазменный поток, для формирования которого вертикальная составляющая индукции магнитного поля на внешнем краю зоны распыления мишени превышает индукцию магнитного поля по внутреннему краю зоны распыления мишени не менее чем на 10%. При этом кольцевой анод располагают над металлической мишенью, а систему анод-катод размещают в вакуумной камере с давлением аргон-кислородной газовой рабочей смеси при напряжении и токе, обеспечивающих режим тлеющего разряда.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена схема плазмохимического реактора, где

1 - кольцевой магнит;

2 - магнитопровод;

3 - металлическая мишень;

4 - кольцевой анод.

Реактор состоит из кольцевого магнита 1, который связан посредством магнитного поля с магнитопроводом 2. К центральной части магнитопровода 2 посредством пайки присоединена металлическая мишень 3 в виде диска, над мишенью расположен кольцевой анод 4. Кольцевой магнит 1, магнитопровод 2, металлическая мишень 3 и кольцевой анод 4 образуют магнетронную распылительную систему на постоянном токе. Все упомянутые части расположены аксиально-симметрично.

Способ осуществляется следующим образом.

Кольцевой магнит 1 вместе с магнитопроводом 2 формируют конфигурацию магнитных полей, такую, что магнитная индукция на внешнем краю зоны эрозии (распыления) мишени превышает индукцию магнитного поля по внутреннему краю зоны эрозии мишени не менее чем на 10%. Такая конфигурация обеспечивает фокусировку потока низкотемпературной плазмы в вертикальном направлении и формирование таким образом восходящего плазменного потока. Металлическая мишень 3 выступает в роли катода, который бомбардирует положительно заряженные ионы рабочего газа. В качестве рабочего газа может быть использован кислород или смесь аргона и кислорода. Под воздействием этой бомбардировки из мишени 3 выбиваются атомы металла. Проходя промежуток металлическая мишень 3 - кольцевой анод 4, атомы металла реагируют с ионами кислорода, таким образом, формируют молекулы, а затем наночастицы оксида металла.

По мере движения наночастиц в вертикальном направлении происходит увеличение их массы за счет присоединения к ним молекул оксида металла. При движении в вертикальном направлении наночастицы увеличивают свою массу до тех пор, пока их кинетическая энергия не станет равной нулю под воздействием силы гравитации. Таким образом, происходит формирование наноразмерных частиц оксида металла. В конечном итоге наноразмерные частицы падают на металлическую мишень 3.

Способ был реализован на примере цинковой мишени. Для обеспечения тлеющего разряда экспериментальным образом были установлены следующие режимы распыления, при которых возможен синтез наночастиц: соотношение парциальных давлений аргона и кислорода в рабочей смеси от 50%:50% до 1%:99% (в случае использования смеси), величина горизонтальной составляющей магнитного поля над зоной распыления мишени - не менее 500 Э, давление рабочей смеси не превышает 10^-1 Па, напряжение на аноде по отношению к мишени не менее 400 В.

Оптимальными являлись следующие параметры процесса: давление аргон-кислородной газовой рабочей смеси - 10^-3-10^-4 Па, напряжение на распылительной системе 400-600 В, ток 100-180 мА, соотношение парциальных давлений аргона и кислорода в рабочей смеси от 50%:50% до 40%:60%.

Способ получения наноразмерных частиц оксида цинка, характеризующийся тем, что распыляют в магнетронной распылительной системе на постоянном токе цинковую мишень, выступающую в роли катода, в магнитном поле, обеспечивающем попадание атомов цинка из зоны распыления в восходящий плазменный поток, для формирования которого вертикальная составляющая индукции магнитного поля на внешнем крае зоны распыления мишени превышает индукцию магнитного поля по внутреннему краю зоны распыления мишени не менее чем на 10%, при этом кольцевой анод располагают над металлической мишенью, а систему анод-катод размещают в вакуумной камере в атмосфере рабочего газа, представляющего собой кислород или аргон-кислородную смесь, при этом соотношение парциальных давлений аргона и кислорода в случае использования рабочей смеси составляет от 50:50% до 1:99%, величина горизонтальной составляющей магнитного поля над зоной распыления мишени составляет не менее 500 Э, давление рабочей смеси выбирают не превышающим 10^-1 Па, напряжение на аноде по отношению к мишени не менее 400 В.