Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов

В работе представлены результаты по синтезу новых структур из нитрида бора и композита BN—ламповая сажа без катализаторов. Превращение мелкодисперсного графитоподобного порошка h-BN и композита h-BN—ламповая сажа происходит при нагреве световым пучком. Новые структуры образуются в потоке сухого и оч...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Datum:	2011
1. Verfasser:	Сартинская, Л.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russisch
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2011
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74629
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов / Л.Л. Сартинская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 675-689. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859469131123785728
author	Сартинская, Л.Л.
author_facet	Сартинская, Л.Л.
citation_txt	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов / Л.Л. Сартинская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 675-689. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	В работе представлены результаты по синтезу новых структур из нитрида бора и композита BN—ламповая сажа без катализаторов. Превращение мелкодисперсного графитоподобного порошка h-BN и композита h-BN—ламповая сажа происходит при нагреве световым пучком. Новые структуры образуются в потоке сухого и очищенного азота в оптической печи. Структура и фазовый состав изучались просвечивающей электронной микроскопией (TEM), сканирующей электронной микроскопией (SEM), оптической микроскопией и рентгеновской дифракцией. Было показано, что полученные нитевидные кристаллы состоят из многостенных нанотрубок, покрытых поликристаллической оболочкой. Были проанализированы процессы синтеза, формирования и роста наноструктур в оптической печи. На основании полученных результатов была предложена качественная модель формирования и роста нанотрубок и нитевидных кристаллов из нитрида бора, основанная на влиянии дегазации порошков и эволюции газовых пузырьков. У роботі наведено результати із синтези нових структур з нітриду бору та композиту BN—лямпова сажа без каталізаторів. Перетворення дрібнодисперсного графітоподібного порошку h-BN і композиту h-BN—лямпова сажа відбувається при нагріванні світловим жмутом. Нові структури утворюються в потоці сухого і очищеного азоту в оптичній печі. Структура та фазовий склад вивчалися трансмісійною електронною мікроскопією (TEM), сканівною електронною мікроскопією (SEM), оптичною мікроскопією і Рентґеновою дифракцією. Було показано, що одержані ниткуваті кристали складаються з багатошарових нанорурок, покритих полікристалічною оболонкою. Було проаналізовано процеси синтези, формування і росту наноструктур в оптичній печі. На підставі одержаних результатів було запропоновано якісний модель формування і росту нанорурок і ниткуватих кристалів з нітриду бору, заснований на впливі дегазації порошків і еволюції газових бульбашок. The results on a catalyst-free synthesis of new structures of boron nitride and BN—lampblack composite are presented. Light-induced heating of finegrained graphite-like h-BN powder and h-BN—lampblack composite is performed. The new structures are fabricated in the flow of dried and purified nitrogen in an optical furnace. Structure and phase composition are studied using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, and x-ray diffraction (XRD). As shown, the obtained whiskers consist of the multiwalled nanotubes, which are covered by a polycrystalline shell. The processes of synthesis, formation and growth of the nanostructures in the optical furnace are analysed. A qualitative model of formation and growth of BN nanotubes and whiskers, which is based on outlet of gas from powders and evolution of gas bubbles, is proposed.
first_indexed	2025-11-24T08:13:06Z
format	Article
fulltext	675 PACS numbers:61.48.De, 62.23.Pq,68.37.Hk,68.37.Lp,68.70.+w,81.05.Je, 81.07.De Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов Л. Л. Сартинская Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, 03680, ГСП, Киев-142, Украина *Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Акад. Вернадского, 36, 03680, ГСП, Киев-142, Украина В работе представлены результаты по синтезу новых структур из нитрида бора и композита BN—ламповая сажа без катализаторов. Превращение мелкодисперсного графитоподобного порошка h-BN и композита h-BN— ламповая сажа происходит при нагреве световым пучком. Новые струк- туры образуются в потоке сухого и очищенного азота в оптической печи. Структура и фазовый состав изучались просвечивающей электронной микроскопией (TEM), сканирующей электронной микроскопией (SEM), оптической микроскопией и рентгеновской дифракцией. Было показано, что полученные нитевидные кристаллы состоят из многостенных нано- трубок, покрытых поликристаллической оболочкой. Были проанализи- рованы процессы синтеза, формирования и роста наноструктур в оптиче- ской печи. На основании полученных результатов была предложена каче- ственная модель формирования и роста нанотрубок и нитевидных кри- сталлов из нитрида бора, основанная на влиянии дегазации порошков и эволюции газовых пузырьков. У роботі наведено результати із синтези нових структур з нітриду бору та композиту BN—лямпова сажа без каталізаторів. Перетворення дрібнодис- персного графітоподібного порошку h-BN і композиту h-BN—лямпова са- жа відбувається при нагріванні світловим жмутом. Нові структури утво- рюються в потоці сухого і очищеного азоту в оптичній печі. Структура та фазовий склад вивчалися трансмісійною електронною мікроскопією (TEM), сканівною електронною мікроскопією (SEM), оптичною мікроско- пією і Рентґеновою дифракцією. Було показано, що одержані ниткуваті кристали складаються з багатошарових нанорурок, покритих полікрис- талічною оболонкою. Було проаналізовано процеси синтези, формування і росту наноструктур в оптичній печі. На підставі одержаних результатів було запропоновано якісний модель формування і росту нанорурок і нит- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2011, т. 9, № 3, сс. 675—689 © 2011 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 676 Л. Л. САРТИНСКАЯ куватих кристалів з нітриду бору, заснований на впливі дегазації порош- ків і еволюції газових бульбашок. The results on a catalyst-free synthesis of new structures of boron nitride and BN—lampblack composite are presented. Light-induced heating of fine- grained graphite-like h-BN powder and h-BN—lampblack composite is per- formed. The new structures are fabricated in the flow of dried and purified nitrogen in an optical furnace. Structure and phase composition are studied using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, and x-ray diffraction (XRD). As shown, the ob- tained whiskers consist of the multiwalled nanotubes, which are covered by a polycrystalline shell. The processes of synthesis, formation and growth of the nanostructures in the optical furnace are analysed. A qualitative model of formation and growth of BN nanotubes and whiskers, which is based on out- let of gas from powders and evolution of gas bubbles, is proposed. Ключевые слова: нанотрубки, вискерсы, нитрид бора, структура, поверх- ностные процессы, оптическая печь. (Получено 18 ноября 2010 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Наноматериалы, вследствие их необычных физических и химиче- ских свойств, интенсивно исследовались в течение последних деся- тилетий. Были получены различные виды углеродных нанострук- тур, которые сейчас широко изучаются. Сразу после открытия уг- леродных нанотрубок, Чопра и др. [1] в 1995 году были получены нитридборные нанотрубки (BNNTs). В отличие от углеродных нанотрубок, BNNTs обладают полупроводниковыми свойствами, так как у них большая ширина запрещенной зоны, независящая от диаметра и хиральности нанотрубки. Такой материал, с высокой структурной и энергетической стабильностью, представляет инте- рес для различных технологических приложений. Впоследствии, благодаря интенсивным исследованиям, были обнаружены также и другие наноструктуры из нитрида бора, такие как: фуллерены, на- новискерсы, бамбуко- и дендритоподобные наноструктуры [2—6] и т.д. В настоящее время значительное количество работ посвящено наноматериалам из нитрида бора (BN): нанотрубкам, нанокапсу- лам, наночастицам и кластерам [4, 7—15]. Все высокотемпературные методы для обработки нитрида бора и углерода включают в себя сублимацию и/или испарение в разре- женной атмосфере или в атмосфере инертных газов, повышение температуры до необходимой, а, затем, конденсацию паров при вы- соких градиентах температуры. Различием предлагаемых процес- сов является метод, используемый для сублимации и/или испаре- ния. ФОРМ Метод с испаре нечную мишень неба, тем установк использо мя года. вращени также ко азота, ан ются оче 2. МЕТО В качест порошок лял собо примесь 1,0 мкм рошков 17]. Для п пользова ходных Рис. 1. Сх азотом; 2 ная KOH цевая тру зец BN; 1 световой ИРОВАНИЕ д обработки ением непр печь для и сублим мпература ке солнечн ована вмес Таким обр ий мелкод омпозита h нализ проц ень важным ОДИКА ЭК тве исходн к ВN (Chem ой гексагон ью B2O3. Ди , толщина и эксперим процесса су ана кварце порошков хема выпол 2 – редукто ; 5 – печь; уба; 9 – вод 11 – пласт поток. И РОСТ НАН и солнечно рерывным того, чтоб мировать и а около 30 ной станци сто солнечн разом, иссл исперсног h-BN—ламп цесса форм ми задачам КСПЕРИМ ного был в mpur, CH0 нальный н иаметр пла – ≅ 0,1 м ментальны ублимации евая камер выполнял лнения эксп ор; 3 – ман 6 – медна доохлаждае тины из тит НОТРУБОК И ой радиаци лазерным бы сфокус и/или испа 00°С може и. Однако ной печи т ледование о графито повая сажа мирования ми. ЕНТА выбран пла 070802). И нитрид бора астинок ни мкм. Подро ых методик и и/или ис ра (рис. 1). лось в печи перимента, нометр; 4 – ая стружка; емые медны тановой фол И ВИСКЕРСО ией, которы излучение сировать с арить ее. В ет быть до оптическа ой же мощ структурн оподобного а в оптиче я и роста н астинчаты Исходный п а текстури итрида бор обное опис к представл спарения п Нагреван и высокой где: 1 – ба – стеклянна 7 – рабоча ые экраны; 1 льги; 12 – ОВ ПРИ НАГ ый можно с ем, исполь олнечные В условия остигнута н ая печь мож щности в лю ных и фазо порошка ской печи нанострукт ый мелкозе порошок п ированный а составля ание исход лено в рабо порошков ие поверхн интенсивн ллон с газо ая камера, з ая камера; 8 10 – исходн концентрир ГРЕВЕ 677 сравнить ьзует сол- лучи на ях ясного на 2 кВт жет быть юбое вре- овых пре- а h-BN, а в потоке тур явля- ернистый представ- й на 002 с яет ≅ 0,6— дных по- отах [13— была ис- ности ис- ности оп- ообразным заполнен- 8 – квар- ный обра- рованный 678 Л. Л. САРТИНСКАЯ тической энергии в потоке азота. Источники света могут произво- дить более 2 кВт энергии, сконцентрированной в фокальной зоне. Диаметр пятна 10 мм. Оптическая печь состоит из трех эллипсоидальных отражателей и трех ксеноновых ламп, которые расположены в центре каждого эллипсоидального отражателя. Расчетное значение плотности энер- гии светового потока в фокальной зоне составляет около E = 1,4⋅104 кВт/м2, если ток в лампах I = 300 A. Поскольку спектр излучения ксеноновой лампы точно соответствует излучению абсолютно чер- ного тела [18], то рассчитанная температура в фокальной зоне со- ставляет ≅ 4000 К. Образцы компактировали в виде таблеток (диаметром 20 мм и толщиной 10 мм). Таблетки помещали на медные водоохлаждаемые поверхности в кварцевой камере (рис. 1). Камеру устанавливали в центре излучения трех ксеноновых ламп. Прямые измерения тем- пературы не выполнялись, однако сублимация и/или испарение h- BN были выполнены при средней плотности энергии светового по- тока в фокальной зоне установки Е = 0,7⋅104 кВт/м 2, которая соот- ветствует ≅ 1400 К. Время эксперимента 60 мин. Камера продувалась очищенным и осушенным азотом. Медная стружка, нагретая до 500°С, очищала азот от кислорода и других загрязнений, а пары воды поглощались гранулами КОН. Полученные в результате порошки собирались с медных водо- охлаждаемых поверхностей, с кварцевой поверхности камеры, а также собирались в виде покрытий на титановых и кремниевых подложках, расположенных на торце камеры (рис. 1). Полученные новые структуры исследовались при помощи опти- ческой микроскопии, SEM и TEM. Информация о структуре была дополнена данными рентгенофазового анализа (дифрактометр «ДРОН-3.0», излучение – СuKα). 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Исследование поверхности уплотненных образцов из h-BN и из композита h-BN—ламповая сажа после обработки продемонстриро- вало формирование новых структур (рис. 2, 3). Причина появления новых структур заключается в том, что нагрев центральной частью светового пучка инициирует сублимацию, плавление, испарение нитрида бора и углерода, а, также, разложение нитрида бора. В ре- зультате, вискерсы растут только на краю кратера, образованного на поверхности уплотненного образца из исходного порошка h-BN (рис. 2) и не были выявлены ни в одной из других частей образца. Это означает, что нагрев центральной областью светового пучка в объеме образца из уплотненного порошка вдоль его толщины при- водит к дегазации порошков, и, таким образом, к образованию па- ФОРМ ров и их пары газ поверхн при наду происход воздейст хранени ного вре месных цессе их нию нан Крошечн разбрызг окислам [14]. Перем разца из менее гу Рис. 2. Ст ного поро ся на мес уменьшен Рис. 3. Ст ного поро ИРОВАНИЕ х передвиж зов благод остью выд увании обр дит из расп твием пост ие необходи емени прив газов повт х движения нотрубок и ные капли гивания ра ми, получе мещение св з h-BN прив устых виск а труктуры, с ошка h-BN п сте; б – лу ние тока в к труктуры, с ошка компо И РОСТ НАН жению из даря повыш дувают нит разуются вы плава на кр тоянного и имой темп водит к том орно конде я от нагре их преобра и вокруг кр асплава вн енными в ветового п водит к воз керсов и бо сформирова при различн уч света ска ксеноновых сформирова озита h-BN— НОТРУБОК И нижней ч шенному д тевидные с ытянутые раю кратер и импульс ературы в му, что, па енсируютс етой повер азованию в ратера явл нутри крате результат учка по по зникновен ольшого к б анные на по ных условия анирует по источниках анные на по —ламповая с И ВИСКЕРСО части на по давлению п структуры воздушны ра, так же сного лазер образцах ары бора, а ся и вновь хности, сп в густые ви ляются рез ера обогащ е разложе оверхности нию менее г оличества оверхности о ях нагрева: поверхнос х нагрева с I оверхности о сажа. ОВ ПРИ НАГ оверхность под распла подобно т ые шары, то как и в [10 рного нагр в течение азота и дру испаряютс пособствуя искерсы (р зультатом с щенного бор ения нитри и уплотнен глубоких к различны в образца из у а – луч све ти; с – по I = 300 A до I образца из у ГРЕВЕ 679 ь. Затем, авленной тому, как олько это 0, 11] под рева. Со- длитель- угих при- ся, в про- я утолще- рис. 2, a). сильного ром и его ида бора нного об- кратеров, ых сфери- уплотнен- ета остает- остепенное I = 100 А. уплотнен- 680 Л. Л. САРТИНСКАЯ ческих капель, которые обогащены оксидом бора и бором (рис. 2, б). В результате только капли расплава накапливаются на поверхно- сти, поскольку соответствующие температуры и градиенты темпе- ратур не поддерживаются в течение длительного времени в одном месте [14]. Падение тока, проходящего через каждую лампу от I = 300 A, до I = 100 А приводит к возникновению густых, но упавших, вискер- сов, капелек и капель с вогнутой поверхностью (рис. 2, в). Это мож- но объяснить снижением температуры внутри образца из уплот- ненного порошка вдоль его толщины, начиная со дна. Изменение пористости образца из уплотненных порошков и образование толь- ко расплавленного поверхностного слоя [19] происходят в результа- те отсутствия необходимого передвижения газовой фазы при нагре- ве. Высокая скорость понижения температуры и давления в капле при снижении температуры являются основной причиной вогнутой формы капель. Поверхностные структуры композита h-BN—25 масс.% ламповая сажа после тепловой обработки совершенно другие (рис. 3) по срав- нению с h-BN (рис. 2) и [20] из-за большого количества углерода. Распределение энергии в пучке света приводит к возникновению обода толщиной около 4 мм вокруг кратера. Ширина этого обода определялась разностью энергий сублимации, плавления и испаре- ния h-BN и ламповой сажи. Морфологии поверхности, которая была сформирована в цен- тральной области, обработанного световым пучком, уплотненного образца из композита h-BN—ламповая сажа показывает, что коэф- фициент поверхностного натяжения, вязкость и плотность рас- плавленного композита h-BN—ламповая сажа значительно влияют на энергию, необходимую для формирования капли, если сравнить с результатами работ [21, 22]. Коэффициент поверхностного натя- жения, вязкость и плотность расплава из композита h-BN— ламповая сажа ниже, чем для расплава из h-BN, поэтому выход ад- сорбированных газов через расплавленную поверхность происходит легче без образования больших пузырей. Соответственно, легкий разрыв пузырей и небольшое давление окружающей атмосферы на поверхности приводит к образованию грубой скалоподобной струк- туры расплавленного композитного материала в кратере и отсут- ствию структур шаровидной формы вокруг кратера. Часть расплав- ленных частиц, имеющих малый вес и высокую скорость, оседает на подложках, поскольку нагрев в центре образца является очень сильным и скорость потока азота достаточно высока (рис. 4). На первый взгляд, нет разницы между кремниевыми подложка- ми, покрытыми BN (рис. 4, а) и композитом BN—углерод (рис. 4, б). Однако более тщательное рассмотрение показывает, что на под- ложке, покрытой BN, присутствуют нитевидные структуры (рис. 4, ФОРМ в). Толщ Рентге ние h-BN аморфны фазы В51 ется резу сти реко температ Анали лимации ности по вает на а на реакц [22]. Так карбони вого сост Рис. 4. Ст тате испа h-BN—лам локнисты ИРОВАНИЕ щина этих в енофазовы N приводи ый нитрид 1,2N и В25N ультатом н омбинации туры. из фазовог и и испаре одложки, б адсорбцию цию внедре ким образо тридных ф тава можн а в труктуры, с арения и оса мповая саж ые структур И РОСТ НАН волокон сос ый анализ ит к тому, бора, h-BN , а также ч низкого да и бора с аз го состава ения компо был сложн углерода п ения углер ом, этот ос фаз бора. В но объясни сформирова аждения в о жа; в – воло ры нитрида б НОТРУБОК И ставляет ок показывае что на по N, обогаще чистый бор авления аз зотом в ус осадка, по озита h-BN ным (рис. 5 поверхнос рода (или з адок може Возможнос ить более н анные на кр оптической окнистые ст бора при бол И ВИСКЕРСО коло 10 нм ет, что субл верхности енные боро р (рис. 5, а ота в каме словиях бо олученного N—лампова 5, б). Рент тью частиц амещения ет состоять ть такого р низкой тем ремниевых й печи: а – труктуры н льшем увел ОВ ПРИ НАГ м (рис. 4). лимация и подложки ом тетраго ). Последн ере и низко ольших гра о в резуль ая сажа на генографи ц нитрида ) с BN, так ь из карбид разнообраз мпературой б г подложках h-BN; б – нитрида бор личении. ГРЕВЕ 681 и испаре- и оседает ональные ний явля- ой скоро- адиентов ьтате суб- а поверх- ия указы- бора или кже как в да бора и зия фазо- й плавле- х в резуль- композит ра; г – во- 682 ния комп Иссле поверхн крыло э формиро хотя пов ликрист ки соста как прис локна ви трубки п ся затру Рис. 5. Ре ложках в б – комп Рис. 6. TE образуют толстой о зывают н исходит п позита h-B едование ви ости уплот эволюцию ования ви верхность таллическу авляют тон сутствует с искерса (р превращае уднительно а ентгенограм в результате позит h-BN— а EM-исследо тся на краю оболочки и к на сложную послойно. Л. Л BN—лампов искерсов, к тненного о их роста скерсов яв вискерса м ую оболочк нковолокни ступенчато рис. 6, б). тся в оболо о сохранят ммы структ е испарения —ламповая с ования стру ю кратера: а крошечной ю слоистую Л. САРТИНСК вая сажа. которые об образца из (рис. 6). вляется то может пре ку (рис. 6, истую стру ое разруше Последняя очку виске ть дальний тур, сформи я и осаждени сажа. уктурных ос а – усы со трубки вну структуру в КАЯ бразуются h-BN при Зародыше онковолок едставлять а). Много уктуру вну ение, напр я стенка м ерса после й порядок в ированных ия в оптиче собенностей остоят из по утри вискерс вискерсов, на краю кр помощи Т еобразован книстая ст собой тол остенные н утри оболо равленное в многостенн того как с в структур б на кремние ской печи: а б й вискерсов оликристал сов; б – стр где разруш ратера на ТЕМ, рас- нием для труктура, лстую по- нанотруб- очки, так вдоль во- ной нано- становит- ре стенки евых под- а – h-BN, в, которые ллических релки ука- шение про- ФОРМ из-за ее ской обо ции эле (рис. 7). Струк вполне (рис. 7, четких к чие такж но- и пол обогаще подтверж а). Изуче или испа на повер вало нал ко в отли оболочки расплава 4. КАЧЕ НАНОТР В послед для объя было пре мер, в ра зования Рис. 7. Ан поликрис структур ИРОВАНИЕ большого олочки, вы ктронов у ктура пове упорядоче а). Дифра колец, пре же поликр ликристал нную боро ждает резу ение струк арения, а т рхности ка личие отдел ичие от усо и и выгляд а. ЕСТВЕННА РУБОК И дние годы б яснения ро едложено н аботе [5] бы морфологи а нализ струк сталлически а поверхнос И РОСТ НАН размера. А ыполненны указывают рхности о енный мон кционная едставленн ристалличе ллические ом тетраго ультаты ре ктуры, обр также осаж амеры при льных стру ов, эти стру дят как сте АЯ МОДЕЛ ВИСКЕРС была выпо оста вискер несколько ыла предло ии бамбуко ктуры пове ий мелкозер сти двух соп НОТРУБОК И Анализ по й ТЕМ, и е на прису оболочки м нокристал картина э ная на (рис еской мелк структуры ональную ентгенофа разующейс ждения ком помощи Т уктур выт уктуры не екловолокн ЛЬ ФОРМ СОВ олнена боль рсов, при р движущи ожена гип ообразных ерхности то рнистый h- пряженных И ВИСКЕРСО верхности ее типична утствие ра может быт л с совер электронов с. 7, б), де козернисто ы представ фазу В51,2 зовых исс ся в резул мпозита h-B ТЕМ, такж янутой фо имеют пол но, которое МИРОВАНИ ьшая анали различных х сил [19, потетическ х трубок в о лстой оболо BN; б – хо х монокрист ОВ ПРИ НАГ поликрис ая картина азличных с ть преобра ршенной р в, состояща монстриру ой структу ляют собой N. Этот р ледований льтате субл BN—лампо же продемо рмы (рис. ликристалл е было выт ИЯ И РОС итическая х условиях 20, 23—28] ая модель однородны б очки вискер рошо упоря аллов h-BN ГРЕВЕ 683 сталличе- а дифрак- структур азована в решеткой ая из не- ует нали- уры. Мо- й h-BN и результат й (рис. 5, лимации овая сажа онстриро- 8). Одна- лической тянуто из СТА я работа и х синтеза, ]. Напри- преобра- ые BNNTs рсов: а – ядоченная N и В51,2N. 684 на основ рованны вания. Г фактор д поскольк других г [20, 23, формиро процесса вискерсо На ос структур подобног нагреве в ты [19, 2 и несоот низме ф слоев. Н вискерсо люции п лучше, ч жущими материал которая ент темп нанотруб ста нано щим обр Рис. 8. Ст оптическ ве того, чт ые вовнутр Градиент те для процес ку такая газов в пор 24] было п ования нан а и движущ ов все еще снове всест рных и фаз го порошк в оптическ 20, 23—30] тветствия формирован Новая модел ов BN, кот пузырька, м чем те, кот и силами э ла в проце иницииру пературы, бок и их р отрубок и разом (рис. труктуры, о кой печи ком Л. Л о некоторы ь трубок, емператур сса роста н важная де рошках не показана в нотрубок и щая сила д не установ тороннего зовых прев ка h-BN и кой печи в , хотелось присущие ния нанотр ль формир торые осно может объ торые пред этого проце ессе их эво уется нагре который росту. Таки вискерсов 9). образующи мпозита h-B Л. САРТИНСК ые частицы могут пов ры рассмат нанотрубок еталь как е учитывал важность к и нанопров для формир влены. анализа T вращениях композит потоке азо бы подчер в принят рубок путе рования и м ваны на вы яснить экс длагались есса являю олюции в евом свето может сп им образом BN могут иеся в резул BN—лампова КАЯ ы сплава ж влиять на п тривается к к. Это не о присутств лась. Тем н концентрац олок. Таки рования и р TEM, SEM х мелкодис та h-BN—л ота и основ ркнуть нек ом в насто ем скручи механизм р ыходе газа сперимент до сих по ются выход вертикаль овым пучк пособствова м, этапы ф т быть пре льтате испар ая сажа на п железа, зак процесс пр как опреде очень убед вие кислор не менее, в ции кисло им образом роста нано и РФА д сперсного амповая с е результа которые нед оящее врем ивания гра роста нано а из порош альные рез р. Основны д газов из ьном напр ом, а такж ать форми формирован дставлены рения и оса поверхности акапсули- реобразо- еляющий дительно, рода или в работах орода для м, начало отрубок и данных о графито- сажа при атов рабо- едостатки мя меха- афеновых отрубок и шка и эво- зультаты ыми дви- жидкого авлении, же гради- ированию ния и ро- ы следую- аждения в и камеры. ФОРМ 1. Рос ствием н го распл 2. При творенны разце из разовани Газы мог счет упл пузырьк 3. Так ностного вается, п графито Рис. 9. Эт вание тон мировани рование н щих атом кристалл ИРОВАНИЕ ст температ нагрева све авленного исутствие ых и адсор з h-BN, к по ию газовы гут мигрир лотнения. З ков (рис. 9, к как BN о натяжени происходи подобной с тапы форми нкого слоя ие пузырьк нанотрубок мов и ионов лической обо И РОСТ НАН туры повер етовым пуч слоя (рис. расплавле рбированны одниманию ых пузырьк ровать ввер Затем, име б). имеет выс ия и вязко ит разрыв структуры а в ирования и м расплава; б ов; в – пуз ; г – много в, выброс га олочки на п НОТРУБОК И рхности уп чком прив . 9, а). енного мат ых уплотн ю нагретых ков под ра рх по дефе еет место у сокие знач ости, а вну отдельных ы пузырька механизмы б – дегазац зырек движ очисленные аза приводи поверхности И ВИСКЕРСО плотненног одит к фор териала ве ненным пор х газов и к асплавленн ктам систе увеличени чения коэф утри пузыр х слоев пов а ступенчат б г ы роста виск ция порошк жется вверх е дефекты, ит к росту н и многослой ОВ ПРИ НАГ го образца рмировани едет к нагр рошком га к последую ной поверх емы, возни ие давления ффициента ря давлени верхности то, что, в с б керсов: а – ового образ х, иницииру включение новых ветве йных нанотр ГРЕВЕ 685 а под дей- ию тонко- реву рас- азов в об- ющему об- хностью. икшим за я внутри а поверх- ие усили- (листов) свою оче- формиро- зца и фор- уя форми- приходя- ей и поли- рубок. 686 Л. Л. САРТИНСКАЯ редь, может привести к начальному образованию стенок нанотруб- ки, а не к полному разрыву пузырьков на поверхности. В связи с тем, что прямой нагрев крышки или нижней части нанотрубки происходит постоянно, также как в [11], пузырек начинает расти вверх, поскольку его боковые стенки охлаждаются быстрее, чем другие части. Исследования в [11] также подтверждают этот факт и их трубки аксиально направлены вдоль потока тепла во время их роста. Пред- положение авторов, что нанотрубки растут на поверхности капель бора во всех направлениях, не правильно, потому что, в конечном счете, полученные волокна имеют направление вдоль оси нагрева. Охлаждаемая металлическая проволока, которая был использована в работе [11] пересекает облако нагретого бора и действует как кон- денсатор, оставляя капельки бора (с газом внутри) на своем пути для гомогенного зародышеобразования. Финальная фибрилла фик- сированной длины появляется в видео-визуализации, как нить или лента, прикрепленная одним концом к конденсатору, и выглядит как флаг, хлопающий на ветру [11]. Пузырек, двигающийся вверх, может приводить к появлению волнистой поверхности, которая очень напоминает волны на свободной поверхности воды, как в [27]. Это результат двух типов неустойчивости потоков внутри пузырька в зависимости от того находится ли пузырек при одноосном или двухосном растяжении [27]. Кроме того, небольшое отклонение в растяжении может вызвать образование нанотрубок различной хи- ральности. Шаг за шагом вздутие пузырька приводит к образова- нию трубки, которая растет снизу [25] или верхней областью (рис. 9, в). Нанотрубки могут расти в высоту и увеличивать свой вес до тех пор, пока он меньше, чем сила давления внутри пузыря и есть поток тепла, который поднимается от поверхности и поддерживает эти нанотрубки в вертикальном положении, как в [28]. Эти наблю- дения также находятся в соответствии с наномасштабным меха- низмом корневого роста для высокотемпературного синтеза BNNTs [29], где рост отдельных трубок и их связок происходит из круглых капелек жидкого бора. Эксперименты выполнялись при низком давлении окружающей среды [29], и капли бора образовывались путем естественного охлаждения. К сожалению, авторы [29] не упомянули о давлении газов в качестве движущей силы этого про- цесса. 4. В условиях оптической печи и в потоке азота некоторые из нанотрубок отрываются от поверхности и осаждаются на подложку и стенки камеры, другие продолжают расти, потому что в ходе их роста газообразные бор и азот постоянно осаждаются на их поверх- ности. Новые структуры нитрида бора метастабильны и способ- ствуют росту гексагональной сети путем включения приходящих атомов, так как B—N-связи энергетически более выгодны, чем B—B- ФОРМИРОВАНИЕ И РОСТ НАНОТРУБОК И ВИСКЕРСОВ ПРИ НАГРЕВЕ 687 и N—N-связи. Изменения высоты и веса нанотрубок BN требуют поддержания их равновесия в турбулентном потоке тепла, подни- мающегося с поверхности. Это приводит к тому, что нитридборные нанотрубки начинают расти в ширину, увеличивая количество сте- нок до тех пор, пока поверхность внешней стенки нанотрубки не достигнет значительных размеров. Соответственно многочислен- ные дефекты упаковки и дислокации могут появиться на наружной стенке нанотрубки. Дефекты, включение газообразных атомов и ионов бора и азота, выход газов с поверхности стенки нанотрубок приводит к росту новых ветвей вискерсов и поликристаллической оболочки, возникающей на поверхности многостенных нанотрубок (рис. 9, г). 5. ВЫВОДЫ Таким образом, нагрев сильным световым излучением в локальной зоне образца из уплотненного порошка приводит к градиенту тем- пературы, нагреву и движению газов со дна на поверхность образца, а также образованию и росту нитевидных структур на поверхности нитридборного образца. Поскольку композит h-BN—ламповая сажа имеет более низкую температуру плавления, на поверхности образца композита вслед- ствие легкого разрыва пузырьков расплава и низкого давления окружающей среды были сформированы грубые, скалоподобные структуры. Покрытия на поверхности подложки, полученные в результате сублимации и испарения в оптической печи, в основном состоят из частиц и небольшого количества нитевидных наноструктур (вис- керсов и нанотрубок), которые были захвачены потоком азота с по- верхности образца. Аморфная фаза, h-BN, обогащенные бором тет- рагональные фазы В51,2N и В25N, а также чистый бор входят в состав покрытия на поверхности подложки. Осаждение композита h-BN— ламповая сажа на подложку приводит к образованию структур сложного фазового состава, в который могут входить различные со- единения углерода, а также небольшие количества карбида и кар- бонитрида бора. Было показано, что вискерсы, которые были выращены в усло- виях оптической печи на поверхности уплотненного образца нит- рида бора, являются многостенными нанотрубками покрытыми по- ликристаллической оболочкой. Была построена качественная модель, объясняющая образование и рост нанотрубок и вискерсов. Движение пузырьков вверх, в вер- тикальных каналах, во время выхода газов под действием градиен- тов температуры из поверхности расплавленного материала под воздействием светового нагрева является основной движущей си- 688 Л. Л. САРТИНСКАЯ лой, которая способствует формированию и росту нанотрубок и вискерсов. БЛАГОДАРНОСТИ Работа была выполнена при поддержке УНТЦ (проект № 4133). Я высказываю также свою благодарность A. A. Фролову за помощь в выполнении экспериментов, а И. И. Тимофеевой, Н. И. Даниленко, A. Ю. Ковалю и И. В. Урубкову – за поддержку в выполнении электронно-микроскопических и рентгенофазовых исследований. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. N. G. Chopra, R. J. Luyken, K. Cherrey, V. H. Crespi, M. L. Cohen, S. G. Louie, and A. Zettl, Science, 269, No. 5226: 966 (1995). 2. E. Bengu and L. D. Marks, Phys. Rev. Lett., 86, No. 11: (2001). 3. Ch. Tang, Y. Bando, Ya. Huang, Sh. Yue, Ch. Gu, J. Am. Chem. Soc., 9, No. 18: 127 (2005). 4. H. J. Xiang, Z. Y. Chen, and J. Yang, Electronic and Piezoelectric Properties of BN Nanotubes from Hybrid Density Functional Method. arXiv:cond- mat/0510412 v1 16 Oct 2005. 5. R. Ma, Y. Bando, and T. Sato, J. of Electron Microscopy, 51: S259 (2002). 6. L.-W. Yin, M.-S. Li, Y.-X. Liu, B. Xu, J.-L. Sui, and Y.-X. Qi, Advanced Mate- rials, 15, Iss. 9: 720 (2003). 7. M. Ishigami, J. Deep Sau, Sh. Aloni, M. L. Cohen, and A. Zettl, Phys. Rev. Lett., 94: 056804 (2005). 8. J. Cumings and A. Zettl, Chemical Physics Letters, 316: 211 (2000). 9. Y. Chen, J. Zou, S. J. Campbell, and G. Le Caer, Appl. Phys. Lett., 84: 13 (2004). 10. T. Laude, Boron Nitride Nanotubes Grown by Non-Ablative Laser Heating: Syn- thesis, Characterization and Growth Processes (Thesis of Disser. for PhD) (Uni- versity of Tsukuba and Ecole Centrale Paris: March 2001). (Ask: t.laude @ tei- jin.co.jp for a copy.) 11. M. W. Smith, K. C. Jordan, Ch. Park, J.-W. Kim, P. T. Lillehei, R. Crooks, and J. S. Harrison, Nanotechnology, 20: 505604 (2009). 12. D. Golberg, Y. Bando, C. C. Tang, and C. Y. Zhi, Advanced Materials, 19, Iss. 18: 2413 (2007). 13. L. L. Sartinska, S. Barcikowski, N. Wardenga, B. M. Rud’, and I. I. Timofeeva, Appl. Surface Science, 253, Iss. 9: 4295 (2007). 14. L. L. Sartinska, A. A. Frolov, А. Yu. Kоval’, N. I. Danilenko, I. I. Timofeeva, and B. M. Rud’, Materials Chemistry and Physics, 109, No. 1: 20 (2008). 15. L. L. Sartinska, L. L. Fedorenko, A. A. Frolov, I. I. Timofeeva, and B. M. Rud’, Modern Problems of Physical Materials Science (Kyiv: IPMS, N.A.S.U.: 2005) (in Russian). 16. A. A. Frolov, E. P. Andrievskaya, and L. L. Sartinska, Int. Conf. ‘Modern Ma- terials Science: Achievements & Problems’ (26—30 Sept., 2005) (Kyiv: 2005) (in Russian). 17. A. A. Frolov, L. L. Sartinska, and A. Yu. Koval’, Int. Conf. ‘Science & Develop- ФОРМИРОВАНИЕ И РОСТ НАНОТРУБОК И ВИСКЕРСОВ ПРИ НАГРЕВЕ 689 ment of Biosphere Process of the Periscii: Experience and Challenge of the Peri- od’ (29 Nov.—1 Dec. 2005) (in Russian). 18. T. S. Laszlo, Image Furnace Techniques (New York: Wiley-Interscience: 1965). 19. X. Wang, C. Dang, H. Zhang, and M. Dudley, Materials Research Society Sym- posium Proceedings (2006), vol. 911, p. 2. 20. T. Ishii, T. Sato, Y. Sekikawa, and M. Iwata, J. of Crystal Growth, 52: 285 (1981). 21. J. Haidar and J. J. Lowke, J. Phys. D: Appl. Phys., 29: 2951 (1996). 22. J. C. Bird, R. de Ruiter, L. Courbin, and H. A. Stone, Nature, 465: 759 (2010) \| doi:10.1038/nature09069. 23. J.-H. Boo, S.-B. Lee, K.-S. Yu, Y. Kim, Y.-S. Kim, and J. T. Park, J. of the Ko- rean Physical Society, 34: S532 (1999). 24. M. H. Rëummeli, O. Jost, M. Lëoffler, R. Schëonfelder, A. Grëuneis, E. Boro- wiak-Palen, T. Gemming, T. Pichler, M. Knupfer, M. Kalb’ac, L. Dunsch, H.- W. Hëubers, and B. Bëuchner, Electronic Properties of Novel Materials: ‘Mo- lecular Nanostructures’—IWEPNM (Kirchberg, Tirol, Austria: 2006). 25. S. T. Lee, N. Wang, and C. S. Lee, Materials Science and Engineering A, 286: 16 (2000). 26. F. F. Xu, Y. Bando, and D. Golberg, New J. Phys., 5: 118 (2003). 27. H. Zhang, J. Yu, Y. Chen, and J. Fitz Gerald, J. Am. Ceram. Soc., 89, No. 2: 675 (2006). 28. Ch. D. Han and J. Y. Park, Journal of Applied Polymer Science, 19: 3291 (2003). 29. Jefferson Lab News Release. Lasers Used to Make First Boron-Nitride Nano- tube Yarn, Science Daily (Dec. 3, 2009) http://www.jlab.org/news/releases/2009/nanotube_yarn.html. 30. R. Arenal, O. Stephan, J.-L. Cochon, and A. Loiseau, J. Am. Chem. Soc., 129: 16183—9 (2007).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-74629
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-11-24T08:13:06Z
publishDate	2011
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Сартинская, Л.Л. 2015-01-22T11:00:29Z 2015-01-22T11:00:29Z 2011 Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов / Л.Л. Сартинская // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2011. — Т. 9, № 3. — С. 675-689. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 61.48.De, 62.23.Pq, 68.37.Hk, 68.37.Lp, 68.70.+w, 81.05.Je, 81.07.De https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74629 В работе представлены результаты по синтезу новых структур из нитрида бора и композита BN—ламповая сажа без катализаторов. Превращение мелкодисперсного графитоподобного порошка h-BN и композита h-BN—ламповая сажа происходит при нагреве световым пучком. Новые структуры образуются в потоке сухого и очищенного азота в оптической печи. Структура и фазовый состав изучались просвечивающей электронной микроскопией (TEM), сканирующей электронной микроскопией (SEM), оптической микроскопией и рентгеновской дифракцией. Было показано, что полученные нитевидные кристаллы состоят из многостенных нанотрубок, покрытых поликристаллической оболочкой. Были проанализированы процессы синтеза, формирования и роста наноструктур в оптической печи. На основании полученных результатов была предложена качественная модель формирования и роста нанотрубок и нитевидных кристаллов из нитрида бора, основанная на влиянии дегазации порошков и эволюции газовых пузырьков. У роботі наведено результати із синтези нових структур з нітриду бору та композиту BN—лямпова сажа без каталізаторів. Перетворення дрібнодисперсного графітоподібного порошку h-BN і композиту h-BN—лямпова сажа відбувається при нагріванні світловим жмутом. Нові структури утворюються в потоці сухого і очищеного азоту в оптичній печі. Структура та фазовий склад вивчалися трансмісійною електронною мікроскопією (TEM), сканівною електронною мікроскопією (SEM), оптичною мікроскопією і Рентґеновою дифракцією. Було показано, що одержані ниткуваті кристали складаються з багатошарових нанорурок, покритих полікристалічною оболонкою. Було проаналізовано процеси синтези, формування і росту наноструктур в оптичній печі. На підставі одержаних результатів було запропоновано якісний модель формування і росту нанорурок і ниткуватих кристалів з нітриду бору, заснований на впливі дегазації порошків і еволюції газових бульбашок. The results on a catalyst-free synthesis of new structures of boron nitride and BN—lampblack composite are presented. Light-induced heating of finegrained graphite-like h-BN powder and h-BN—lampblack composite is performed. The new structures are fabricated in the flow of dried and purified nitrogen in an optical furnace. Structure and phase composition are studied using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), optical microscopy, and x-ray diffraction (XRD). As shown, the obtained whiskers consist of the multiwalled nanotubes, which are covered by a polycrystalline shell. The processes of synthesis, formation and growth of the nanostructures in the optical furnace are analysed. A qualitative model of formation and growth of BN nanotubes and whiskers, which is based on outlet of gas from powders and evolution of gas bubbles, is proposed. Работа была выполнена при поддержке УНТЦ (проект № 4133). Я высказываю также свою благодарность A.A. Фролову за помощь в выполнении экспериментов, а И.И. Тимофеевой, Н.И. Даниленко, A.Ю. Ковалю и И.В. Урубкову – за поддержку в выполнении электронно-микроскопических и рентгенофазовых исследований. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов Article published earlier
spellingShingle	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов Сартинская, Л.Л.
title	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
title_full	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
title_fullStr	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
title_full_unstemmed	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
title_short	Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
title_sort	формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/74629
work_keys_str_mv	AT sartinskaâll formirovanieirostnanotrubokiviskersovprinagrevevoptičeskoipečibezkatalizatorov

Формирование и рост нанотрубок и вискерсов при нагреве в оптической печи без катализаторов

Institution

Ähnliche Einträge