Химические методы формирования наночастиц
| Вид материала | Документы |
- Контрольная работа По дисциплине физико-химические свойства и методы контроля качества, 77.41kb.
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальности 02. 00. 02 Аналитическая, 51.98kb.
- Термооптика композитных наночастиц в биомедицинских применениях, 985.98kb.
- Программа учебной дисциплины "Аналитическая химия и физико-химические методы анализа", 239.87kb.
- Государственное санитарно-эпидемиологическое нормирование Российской Федерации, 575.15kb.
- Масс-спектрометрия и резонансные методы. Часть I. Методы масс-спектрометрии, 397.85kb.
- Гузеева Татьяна Ивановна доктор технических наук Профессор лекция, 351.77kb.
- Синтез и свойства композиционных материалов на основе матриц полиметилметакрилата, 303.47kb.
- Современные методы исследования в химии направление подготовки, 19.67kb.
- IV. химические реакторы, 323.69kb.
Химические методы формирования
наночастиц".
Спецкурс «Химические методы формирования наночастиц» является частью общей Программы по подготовке специалистов в МГУ имени М.В.Ломоносова в области физики, химии и функциональных свойств нано-размерных материалов. Целью программы является ознакомление слушателей с особенностями дисперсного состояния вещества и основными процессами получения и стабилизации нанокристаллических материалов различного типа. Особое внимание уделено химическим методам синтеза нано-структурных материалов с контролируемым размером, структурой, составом и функциональными свойствами.
1. Введение.
Предмет курса, основные определения, фундаментальные аспекты и практические приложения. Дисперсное состояние вещества. Классификация дисперсных систем по размерности, агрегатному состоянию и структуре. Наноразмерные системы. Основные характеристики наночастиц и дисперсных систем. Размерный эффект.
Основы термодинамики поверхностных явлений. Избыточные термодинамические функции. Поверхностное натяжение и свободная энергия поверхностей раздела фаз. Связь поверхностного натяжения с объемными свойствами веществ. Термодинамическое уравнение Гиббса для поверхности раздела фаз в однокомпонентных системах. состав поверхности, сегрегация в приповерхностных слоях. Поверхностная энергия твердых тел.
Лабильность дисперсных систем, Образование кластеров, агрегатов наночастиц. Стабилизация наночастиц.
2. Методы анализа нано размерных материалов.
Особенности анализа высокодисперсных систем. Определение среднего размера частиц. Возможности и ограничения метода рентгеновской дифракции. Определение состава и структуры отдельной наночастицы; электронная микроскопия высокого разрешения, дифракция электронов. Оже-электронная и рентгеновская фото-электронная спектроскопия. Возможности туннельной и атомно-силовой микроскопии. Спектральные методы исследования: ИК и КР. УФ-видимая спектроскопия. Методы с использованием синхротронного излучения.
3. Методы формирования наночастиц
Классификация методов по принципам «снизу – вверх» и «сверху-вниз», физические и химические методы. Помол и диспергирование. Нуклеация и агломерация. Рост из пара и из растворов. Основные параметры роста наночастиц. Термодинамические и кинетические аспекты гомогенного зародышеобразования. Зарождение и рост наночастиц в гомогенной среде и на поверхности твердого тела. Кооперативные явления в системе наночастиц; оствальдово созревание, агрегирование. Коллоидные кристаллы.
4. Синтез из растворов.
Золь-гель технология. Поликонденсация. Переход истинный раствор – золь. Влияние рН. Пример получения нанодисперсного кремнезема. Линейные, двумерные и трехмерные макромолекулы.
Химическое осаждение из растворов. Реакция гидролиза. Примеры получения нанокристаллических оксидов и гидроксидов металлов. Нанокомпозиты. Соосаждение, влияние рН. Химическое модифицирование поверхности. Природа кислотных центров на поверхности наночастиц.
Осаждение из сверхкритических растворов. RESS технология. Сублимационная сушка. Криохимическая технология.
5. Нуклеация в растворах в присутствие стабилизатора. (Синтез квантовых точек)
Коллоидный синтез нанокристаллов полупроводниковых материалов. Основные характеристики квантовых точек (средний размер, дисперсия размеров, концентрация). Нуклеация и рост. Диаграмма Ла-Мера. Кинетические модели роста. Стабилизация. Контроль формы. Синтез нанокристаллов ядро-оболочка.
6. Темплатный синтез
Нано-реакторы. Классификация: мезопористые системы (1D), слоистые двойные гидроксиды (2D), цеолиты (3D). Структура пористых систем, характеристика пор, примеры темплатов. Мезопористый оксид кремния. Нуклеация и рост частиц в нанопорах. Термодинамические параметры роста. Критический зародыш и максимальный размер зародыша. Примеры роста оксидов металлов.
Микроэмульсии, Обратные мицеллы и обратные эмульсии. Рост кластеров в микроэмульсиях. Организация коллоидных систем в присутствие ПАВ. Пленки Лэнгмюра-Блоджет.
7. Рост из пара.
CVD процесс. Термодинамика. Механизм испарения. Типы прекурсоров. CVD реактор. Влияние подложки на структуру нанокристаллических материалов. Пиролиз аэрозолей неорганических, металлорганических и органических соединений. Методы создания аэрозолей.
Методы вакуумной конденсации.
Метод реотаксиального роста нанокристаллических материалов. Метод молекулярных пучков, лазерное осаждение, магнетронное осаждение. Виды плазмы. Механизмы генерации химически активных частиц. Квазиравновесная плазма. Лазерная электродисперсия. Влияние состава плазмы на структуру нанокристаллов.
Рост квази-одномерных (1D) кристаллов. Реактор проточного типа. Оксиды металлов, VLS механизм роста, влияние парциального давления кислорода на морфологию кристаллов.
8. Механохимический синтез.
Упругие свойства твердых тел, энергетика и кинетика диспергирования твердых веществ. Дефектообразование и активация при механическом воздействии. Физико-химические явления, сопровождающие диспергирование (локальный разогрев, возникновение высоких давлений, ускорение массопереноса, возникновение контактной разности потенциалов, экзо - и механоэмиссия электронов). Окислительно-восстановительные механохимические реакции (восстановление оксидов, окисление сульфидов, восстановление нитратов).
Синтез при ультразвуковом воздействии. Сонохимическое оборудование. Механизм воздействия ультразвука на кинетику роста частиц. УЗ-интенсификация реакций интеркаляции и ионного обмена. Синтез кластерных соединений.
9. Электрохимическое травление
Количественные законы электролиза, закон Фарадея. Основные типы электролитических ванн. Электрохимические реакции. Электрохимическая полировка и травление.
Технология получения пористого кремния. Процессы анодного растворения кремния в HF. Параметры, определяющие размер и морфологию пор. Влияние плотности тока и концентрации электролита. Влияние типа проводимости кремния на структуру материала. Фото-генерация носителей заряда. Анизотропное травление.
Основная литература
- Г.Б.Сергеев //Нанохимия// Москва Изд. МГУ. 2003
- . Гусев А.И. // Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии// Физматлит, 2005
- С.П. Губин //Химия нанокластеров// Москва Наука 1987.
Дополнительная литература
- А. Адамсон //Физическая химия поверхностей//. М.Мир. 1979.
- В.Б.Фенелонов //Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов// Новосибирск, СО РАН 2002
- Н.А.Шабанова, В.В.Попов. П.Д.Саркисов.// Химия и технология нанодисперсных оксидов. // Москва Академкнига. 2007
- 6 И.П.Суздалев //Физико-Химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов.// КомКнига, Москва 2005,
- Анализ поверхности методами оже и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Под ред Д.Бриггса и М.Сиха.//Москва Мир. 1987.
- 8 Г.В. Лисичкин. //Химия привитых поверхностных соединений. //Москва, Физматлит
- К.Оура. В.Г.Лифшиц, А.А.Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма. // Введение в физику поверхности. //Москва Наука 2006.
- Н.А. Шабанова. П.Д.Саркисов// Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема.// Москва Академкнига 2004
- П. Харрис Углеродные нанотрубы и родственные структуры Новые материалы ХХI века. Москва, Техносфера 2005
- Р.А. Андриевский, А.В.Рагуля// Наноструктурные материалы// М. Академия 2005
Самостоятельные задания, темы рефератов
Термодинамика поверхности, поверхностное натяжение, свободная энергия поверхности раздела фаз. Методы исследования нано-структурных материалов: определение размера состава и структуры нано. Золь-гель метод, получение нанодисперсных оксидов, гидроксидов и нанокомпозитов. Коллоидные нанокристаллы полупроводников, синтез и основные методы анализа. Темплатный синтез нано-размерных материалов. CVD технология.
Лазерный синтез. Механохимический синтез.Электрохимические методы получения наноструктурных материалов, пористый кремний.
Программу составил проф. А.М. Гаськов