Введение. В последнее время для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов все шире применяются плазмохимические технологии с использованием

В последнее время для получения ультрадисперсных порошкообразных материалов все шире применяются плазмохимические технологии с использованием низкотемпературной плазмы. Уже существуют достаточно надежные технологии нанопорошков как чистых металлов (например, Та, Nb), так и соединений (например, SiO₂, Si₃N₄, AlN).

Методики используют плазмохимическое осаждение при пониженном давлении. Очевидно, что такой вариант осуществления процесса характеризуется существенным недостатком, обусловленным высокой стоимостью требующегося для его осуществления вакуумного оборудования. Более того, организуемая в химическом процессе рабочая атмосфера может потребовать использования еще более дорогих откачных систем, стойких к агрессивным средам. В связи с этим особый интерес представляют возможности использования газовых разрядов атмосферного давления. Следует отметить еще и технологические преимущества атмосферных плазмохимических процессов. Более высокие парциальные давления реагентов позволяют увеличить вероятность гомогенного взаимодействия и способны значительно поднять производительность процесса.

Существует несколько типов атмосферных разрядов. Часть из них обеспечивает создание высокотемпературной плазмы (например, дуговой разряд), в которой энергии всех частиц приблизительно равны и могут достигать температур несколько тысяч Кельвин. Низкотемпературная плазма атмосферного давления реализуется с помощью коронного, барьерного, высокочастотного или сверхвысокочастотных разрядов. В этом случае средние энергии тяжелых частиц находятся в интервале нескольких эВ.

Низкотемпературная плазма имеет низкую степень ионизации и представляет собой смесь следующих частиц:

– заряженные частицы (e, R⁺, R ⁻ - электроны и ионы);

– возбужденные частицы (т.е. находящиеся в возбужденных электронных состояниях, для молекул также характерно наличие возбужденных вращательных и колебательных состояний);

– радикалы и атомарные частицы молекулярных газов;

– нейтральные невозбужденные частицы (исходные газообразные реагенты и продукты их химических превращений).

Разряд возникает за счет наличия в системе незначительной доли свободных электронов (при фотоионизации, ионизации космическим излучением, случайной эмиссии с электродов и т.д.), которые взаимодействуют с приложенными электромагнитными полями. Электроны, благодаря высокой подвижности, принимают практически всю энергию от приложенного внешнего электрического поля, что выражается в ускоренном движении частиц с увеличением их кинетической энергии. При неупругом соударении высокоэнергетичного электрона с другими частицами он теряет часть энергии, которая может расходоваться на возбуждение, ионизацию или на диссоциацию нейтральных частиц рабочей среды.

Для плазмохимических процессов осаждения представляют интерес химически активные компоненты разрядов. Это радикалы, атомарные частицы молекулярных газов и возбужденные частицы. Для технологического процесса подбирается такая система реагентов, которая в условиях разряда даст требуемые физические и химические превращения. При этом гомогенное взаимодействие газообразных активных частиц должно приводить к зародышеобразованию твердого продукта требуемого состава. Зародыши способны расти в условиях разряда за счет гетерогенных превращений частиц плазмы. Наночастицы также могут увеличиваться за счет коалисценции с последующей коагуляцией.

В рамках данной лабораторной работы будет рассмотрен процесс получения наноразмерных частиц диоксида кремния в низкотемпературной плазме при атмосферном давлении. В качестве реагента выбран тетраэтоксисилан (TEOS) – нетоксичное, невзрывоопасное соединение. На рис.1 приведена его структурная формула.