18.01.2016

Для получения ультрадисперсных порошков, которые могут быть использованы для изготовления плотных нанофазных материалов при пониженной температуре уплотнения, часто применяется пиролиз спрея.
Нанопорошки образуются при осуществлении процесса, когда полученный аэрозоль транспортируется в нагретую реакционную камеру, где происходит испарение растворителя, образование частиц прекурсора, разложение или химические реакции на частицах прекурсора. Получаемые порошки собираются с применением электростатического фильтра. Малый размер зерна поддерживается за счет низкой температуры процесса, необходимой для полного разложения прекурсора, но недостаточной для интенсивного роста зерна. Используемые растворители часто содержат жидкое топливо, такое, как спирты, этилен гликоль, или твердое топливо, растворимое в воде, что способствует распылению прекурсора на более мелкие капли и облегчает реакцию газ—частица превращения порошков при сгорании топлива.
Одним из недостатков метода пиролиза спрея является ограниченный контроль морфологии частиц, что может приводить к образованию полых частиц. Последние образуются из прекурсоров, которые оплавляются после испарения растворителя при условии, что выделяющийся при реакции газ не может легко выйти из объема частицы. Образованию плотной частицы способствует использование прекурсоров с высокой растворимостью, низкой скоростью испарения, малым размером капель, низкой концентрацией раствора. Таким образом, выбор прекурсора с необходимыми физическими свойствами — важный фактор контроля морфологии частиц.
Например, для получения плотных частиц ZrO2 используются гидрохлорид цирконила и хлорид цирконила. При использовании других солей образуются полые частицы.
Процесс пиролиза спрея применялся для синтеза наноразмерных керамических порошков.
Простые наноразмерные металлические и оксидные порошки. Плотные сферические металлические порошки Р<1 получают с использованием пиролиза спрея при 900 °С и выше на воздухе и 800 °С в азоте.
При более низких температурах (500 °С) формируются пористые агрегаты РdО (1—15 нм) с удельной поверхностью 30,2—32,8 м2Д Плотные частицы Р<5 образуются при температурах выше 900 °С.
Смешанные наноразмерные трошки оксидов. Наноструктурный компакт был получен из наноразмерных порошков ZrO2—Аl2O3 синтезированных методом пиролиза спрея водных растворов нитратов. Порошки компактировали при высоком давлении с быстрым нагревом до 700 °С. Результирующая фаза представляет собой тетрагональный твердый раствор ZrO2—Аl2O3 с малым количеством распределенных частиц оксида алюминия. В оптимальных условиях размер кристаллитов составляет 10—20 нм при отсутствии пористости.
Легированные улььтрадисперсные порошки. Нанокристаллические порошки 70 % мас. Ni — 30 % маc. Fе размером 10—80 нм были синтезированы с использованием пиролиза спрея раствора (С2Н5)2Ni и (С2Н5)2Fе в метокс и этаноле.
Нанокомпозитные порошки. Получен нанокристаллический высокотемпературный сверхпроводящий композит YBa2Cu3O7-x/Ag, состоящий из частиц Аg (10—80 нм), распределенных равномерно в 1—2—3-фазе с манометровым размером зерен (10—80 нм).
Пленки. Пиролиз спрея применяли для получения оксидных и сульфидных пленок, используемых в фотогальванических устройствах.
Эти методы осаждения относятся к процессу, который соответствует гетерогенной реакции химического осаждения плотной пленки с контролируемой ориентацией роста и хорошим сопряжением с подложкой.
Пирозоль. Пирозоль представляет сочетание понятий спиролиз» и »аэрозоль». Эта технология, основанная на использовании аэрозоля, включает применение ультразвукового распыления для получении аэрозоля, последующий транспорт его несущим газом к подложке, на которой необходимо получить покрытие, и последующее разложение (пиролиз) с осаждением тонкой пленки металлов, оксидов металлов, сульфидов. Для осаждения оксидов в качестве несущего газа используется воздух, тогда как при получении неоксилных пленок — аргон и азот. Основные компоненты установок дли пирозоль-процесса — ультразвуковой распылитель, форсунка аэрозоль-спрея, реактор пиролиза и система удаления газообразных продуктов. Пирозоль-процесс позволяет получать плотные пленки.
С использованием этого метода были осаждены тонкие пленки на стекло, керамику, нержавеющие стали для применения в оптике, электронике, преобразования солнечной энергии. Основное применение метод имеет при получении пленок оксидов металлов. Однородные и высококачественные прозрачные проводящие пленки In2O3 и SnО2 для электрических и оптоэлектрических приложений были получены с использованием этого простого и недорогого метода, In2O3—SnO2-пленки имеют удельное сопротивление ~ 2,2*10-4 Ом*см, прозрачность света для InO3 (λ = 0,4—0,7 мкм и толщина пленки 600 нм) составляет 88 % и для SnО2 85 %. Метод также используется для осаждения неоксидных пленок, в частности сульфидных (СdS) и пленок благородных металлов, таких, как Pt, Р1, Ru, используемых в качестве катализаторов выхлопных газов автомобилей.
Пленки ZnO строгой кристаллографической ориентацией с-оси для устройств микросенсоров и движителей микромашин были получены СVD-пирозоль-методом. Температура подложки, скорость осаждения и гигрометрическое соотношение для несущего газа влияют на кристаллографическую ориентацию слоен. Оптимальная текстура была получена для сухой смеси газов N2—02 при 495 °С и скорости осаждения 3,5 нм/мин.
Этим методом были также осаждены многокомпонентные оксидные пленки с ориентированным ростом. Например, для применения в акустических устройствах была получена [100]-ориентации пленки Li2B4O7 на плоскости (111) 51-подложки.
Органометаллические прекурсоры также используются в пирозоль-процессе, например для эпитаксиального роста висмут-замещенного граната в виде тонкой пленки ВiDуGаIG со скоростью осаждения 6 нм/мин при температуре подложки 500—540 °С. Размер зерен - 35 нм при обычной термообработке 650 °С, 3 ч. Эти пленки имеют перспективы применения для устройств магнитооптической памяти.
Используя пирозоль-метод, при 540 °С можно получить пленки для газовых сенсоров на СО, состоящие из каталитических агрегатов, содержащих наночастицы Рt или Рd (3—5 нм), распределенные в SnO2-зернах (10—25 нм).
Однако эта технология позволяет получать покрытия толщиной до 1 мкм, что ограничивает область применения.