Цель работы: получение наночастиц серебра путем восстановления цитрат-анионом и тетрагидридоборатом натрия.
Применяемое оборудование: магнитная мешалка, обладающая функцией электроплитки-Hei-Standart ,химические стаканы на 200 мл (2шт), химический стакан на 100 мл (1 шт), колба на 50 мл.
Задание: получить наночастицы серебра, освоить работу на спектрофотометре, определить коэффициент экстинции наночастиц серебра, рассчитать размеры полученных наночастиц.
Подготовка к выполнению работы: ознакомиться с порядком работы на спектрофотометре и магнитной мешалке.
Особенности строения наночастиц серебра и их оптические свойства
Интерес к получению наночастиц серебра вызван свойствами, присущими только этому материалу: наибольшей интенсивностью полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР), самым высоким коэффициентом экстинции, явлением гигантского комбинационного рассеяния света, особенностями люминисценции и оптических характеристик приповерхностного слоя вблизи наночастиц серебра. Все больший интерес приобретает изучение бактерицидных свойств коллоидных растворов (наночастиц) серебра.
Кристаллическая решетка серебра, как и других металлов, устроена таким образом, что валентные электроны способны перемещаться по всему объему вещества, чем обусловлена высокая электропроводность металлов. Переменное электрическое поле светового луча смещает электроны проводимости и на поверхности наночастицы образуется диполь, который колеблется с частотой поля падающего света. Этот колеблющийся вблизи поверхности наночастицы диполь называют поверхностным плазмоном. Возникновение поверхностного плазмона возможно, если величина наночастицы много меньше длины падающего света.
Совпадение частоты колебаний поверхностного плазмона и частоты колебаний падающего света вызывает резонансное поглощение и рассеяние света, которое называется поверхностным плазмонным резонансом (ППР).
Поглощение света веществом рассчитывается по закону Ламберта-Бера
lg(J 0 /J) = εCd (1)
где J 0 и J - интенсивности света до и после прохождения через слой толщины d (см) раствора вещества с концентрацией С (моль/л). Отношение J0/J называется погашением или экстинкцией, величина ε -молярным коэффициентом экстинкции.
Коэффициент экстинкции серебра наибольший в максимуме ППР по сравнению с частицами такого же размера из других материалов, то есть, наночастицы серебра пропускают свет в этой области спектра меньше любых других соразмерных частиц.
При взаимодействии света с нанопроволоками, наностержнями или контактирующими цепочками наносфер, когда длина частиц сравнима с длиной волны падающего света, диполь, образующийся на конце частицы, вызывает поляризацию прилегающих
участков и образование волны, бегущей от одного конца нанопроволоки или цепочки наносфер к другому. Точное попадание света, при помощи лазера, на один конец нанопроволоки вызывает образование на другом конце колеблющегося диполя, излучающего свет с длиной волны падающего света. Такое явление называется поверхностным плазмонным поляритоном. Это позволяет использовать нанопроволоки и цепочки наносфер в качестве волноводов оптических наноустройств.
Комбинационное рассеяние света, это рассеяние света исследуемым веществом, связанное со структурой его молекулы. Если снимать спектры комбинационного рассеяния (КР) веществ, адсорбированных на поверхности серебряных наночастиц, то усиление интенсивности полос в спектре в расчете на одну молекулу достигает 10 5 -10 6 раз, по сравнению со спектрами, снятыми без участия наночастиц серебра. Это явление получило название – гигантское комбинационное рассеяние света. При условии точной фокусировки падающего света, можно получить усиление комбинационного рассеяния света в 10 15 раз, что позволяет снять спектр одной или нескольких молекул. Если частота падающего электромагнитного излучения и частота колебаний поверхностного плазмона одинаковы и равны ω, то усиление интенсивности полосы комбинационного рассеяния пропорционально ω 4 .
Поверхностный плазмонный резонанс усиливает интенсивность спектров флуоресценции в 10 2 -10 4 раз при совпадении длины волны ППР и длины волны возбуждения флуоресценции. При этом наблюдается уменьшение времени затухания флуоресценции, так как при взаимодействии электронных слоев наночастиц серебра и адсорбированных молекул облегчается переход между основным и возбужденным состоянием флуоресцирующей молекулы и скорость затухания флуоресценции увеличивается.
Молекулы веществ, находящиеся у поверхности наночастиц серебра подвергаются действию падающего излучения и поверхностного плазмонного резонанса, что увеличивает возможность фотохимических реакций для этих веществ, фотолюминисценции, поглощения и рассеяния света.
Наночастицы серебра размерами до 10 нм способны не только адсорбироваться на клеточной мембране, но и проникать внутрь бактерии. Бактерицидное действие серебра связывают с образованием ионов серебра (Аġ+) при окислении металла. Особое значение имеет форма наночастиц. Считают, что грань в декаэдрах и икосаэдрах, из которых состоит до 98% наночастиц в интервале 1-10 нм, обладает высокой химической активностью и присутствие этой грани усиливает антибактериальное действие наночастиц.
Эксперимент 1. Цитратный метод получения наночастиц серебра
Цитратный метод получения наночастиц золота, разработанный Туркевичем, применим и к получению наночастиц серебра. Но, так как серебро более активный металл, чем золото (Е 0 Аg+/Ag =0,8 В, Е 0 Au +3 /Au = 1,5 В), то синтез наночастиц серебра происходит более сложно из-за способности серебра к быстрому окислению и агрегации. Для усиления устойчивости коллоидных растворов серебра наночастицы необходимо стабилизировать. В цитратном методе получения наночастиц серебра и восстановителем и стабилизатором служит цитрат-анион, получаемый при растворении в воде трехзамещенной натриевой соли лимонной кислоты. При нагревании раствора и окислении цитрат-аниона образуется ацетондикарбоновая и итаконовая кислоты.
Эти кислоты адсорбируются на поверхности частиц и контролируют их рост.
В настоящее время существуют два механизма, объясняющих образование и рост наночастиц серебра.
Где Ag x – кластеры серебра (< 1 нм), Ag m – первичные частицы, стабилизированные цитратом (~ 1 нм), Ag n – конечные частицы, R – восстановитель.
И по первому и по второму механизму сначала образуются кластеры серебра, которые затем взаимодействуют со стабилизатором – цитратом и конденсируются, образуя более крупные частицы. После достижения размера ~ 1нм конденсация кластеров больше не происходит и образование наночастиц по первому и второму пути начинает различаться. В первом случае концентрация стабилизатора оказывается достаточной и дальнейший рост частиц происходит за счет восстановления ионов серебра на поверхности наночастиц. При этом увеличение размеров частиц происходит медленнее, что приводит к образованию устойчивых коллоидных растворов наночастиц, в основном сферической формы.
Во втором случае концентрация стабилизатора (цитрата) оказывается недостаточной, чтобы предотвратить агрегацию кластеров. Это приводит к образованию наночастиц большого диаметра.
Большое влияние на размеры наночастиц оказывает соотношение концентраций ионов серебра и цитрат-аниона, а так же время кипячения раствора.
Ход работы
1. 25 мл 1х10 -3 моль/л приготовленного на дистиллированной воде AgNO 3 и нагреть в химическом стакане объемом в 200 мл на магнитной мешалке до кипения.
2. Приготовьте 100 мл 1х10-3 моль/л раствора Na 3 C 6 H 5 O 7 в другом стакане и, при непрерывном размешивании, по каплям добавляйте в кипящий раствор AgNO3.
3. Наблюдайте изменение цвета раствора от бесцветного к желтому, что свидетельствует о восстановлении ионов серебра.
4. Нагревание продолжайте 15 минут, а затем охладите раствор до комнатной температуры.
Эксперимент 2. Получение наночастиц серебра путем восстановления тетрагидридоборатом натрия
Применение тетрагидридобората натрия (NaBH4) при получении наночастиц серебра имеет большее распространение, чем использование для этих же целей цитрат-аниона. Это объясняется более высокой восстановительной способностью боргидрида и простотой применения. Как и в цитратном методе, тетрагидридоборат натрия служит одновременно восстановителем и стабилизатором образующихся наночастиц.
Исследование механизма роста наночастиц показало, что в случае применения боргидрида, главную роль играет агрегация образовавшихся кластеров. До этого считалось, что согласно модели Ла Мера-Дайнегера, основное число коллоидных частиц создается в течение короткого времени нуклеации, а дальнейший рост происходит за счет восстановления ионов серебра на поверхности частиц (как в цитратном методе). Проведенные исследования показали, что концентрация ионов серебра в растворе не меняется во все время роста наночастиц. Это доказывает, что рост частиц не может происходить за счет восстановления серебра на поверхности кластеров. Увеличение размера частиц происходит за счет агрегации кластеров при разложении боргидрида, когда стабилизирующее действие тетрагидридобората натрия уменьшается.
Ход работы
1. 5 мл 1х10 -3 моль/л приготовленного на дистиллированной воде AgNO 3 и перелить в колбу на 50 мл.
2. Отмерить в стаканчик 15 мл 2х10 -3 моль/л NaBH 4 и охладить до температуры 0С 0 , поставив в кристаллизатор со льдом.
3. Перелить охлажденный NaBH 4 в колбу с AgNO 3 и быстро смешать, энергично встряхивая, что помогает образованию монодисперсных частиц.
Образующийся раствор желтого цвета показывает единственный пик поглощения с длиной волны около 400нм. Как показала электронная трансмиссионная микроскопия, образующиеся наночастицы имеют сферическую форму, диаметром 1-50 нм, а для некоторых препаратов 1-10 нм. На сферическую форму наночастиц указывает желтая окраска раствора. Образующиеся частицы стабильны, не осаждаются и не меняют окраску в течение нескольких недель.
Обработка результатов
С помощью спектрофотометра определить коэффициент экстинкции и используя формулу
C ext =24 πRε 3/2 м /λε (1)
(где R - радиус наночастицы, εм-диэлектрическая проницаемость среды, ε - диэлектрическая проницаемость частиц, λ-длина волны падающего света, C ext - коэффициент экстинкции) оцените размер наночастицы.
Контрольные вопросы
1.Чем объясняется возникновение на поверхности наночастиц избыточной поверхностной энергии?
2.Какое явление называется поверхностным плазмонным резонансом?
3.Что называется молярным коэффициентом экстинции и как рассчитать его величину, используя закон Ламберта-Бера?
4.Какое явление называют гигантским комбинационным рассеянием света и где оно применяется?
5.Как возникает поверхностный плазмонный поляритон и где возможно его применение?
6.Какие физические и химические явления могут происходить с молекулами веществ, адсорбированных на поверхности наночастиц серебра под действием поверхностного плазмонного резонанса?
7.Чем объясняется повышенная бактерицидная активность наночастиц серебра?
8.По какому механизму происходит восстановление наночастиц серебра с помощью цитрат-аниона?
9.Какой процесс приводит к росту наночастиц серебра при восстановлении ионов серебра тетрагидридоборатом натрия?
10.Какие способы получения наночастиц серебра Вы еще знаете?
Список используемых источников
1. Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Успехи химии, 2008, т.77, №3.
Лабораторная работа №4
Создание диэлектрических нанослоев на проводящей подложке и исследование их диэлектрических свойств
Цель работы:
Применяемое оборудование : Мешалка магнитная. Центрифуга. Установка для измерения электрических свойств. Бутилацетат. Пенополиуретан.
Задание: Изготовить конденсатор основанный нанослоев на проводящей подложке. Исследовать диэлектрические свойства.
Подготовка к выполнению работы :
Краткое теоретическое введение
Роль тонкопленочной технологии в производстве интегральных схем
Интегральная электроника развивается не как новая или обособленная область техники, а путем обобщения многих технологических приемов, ранее используемых в производстве дискретных полупроводниковых приборов и при изготовлении топкопленочпых покрытий.
В соответствии с этим в интегральной электронике определились два главных направления: полупроводниковое и тонкопленочное. Создание интегральной схемы на одной монокристаллической полупроводниковой (пока только кремниевой) пластине является естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов создания полупроводниковых приборов, как известно, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.
Тонкопленочное направление интегральной электроники основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микро деталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений.
Сравнительно недавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные гибридные ИС рассматривались как конкурирующие направления в развитии интегральной электроники. В последние годы стало очевидно, что эти два направления отнюдь не исключают, а скорее, наоборот, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнего дня не созданы (да, видимо, в этом и нет необходимости) интегральные схемы, использующие какой-либо один вид технологии. Даже монолитные кремниевые схемы, изготавливаемые в основном по полупроводниковой технологии, одновременно применяют такие методы, как вакуумное осаждение пленок алюминия и других металлов для получения внутрисхемных соединений, т. е. методы, на которых основана тонкопленочная технология.
Большим достоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и в получении по сути дела любой требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1-2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем, некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избирательных схем, генераторов и т. п.).
В связи с непрерывным развитием и совершенствованием как
полупроводниковой, так и тонкопленочной технологии, а также ввиду все большего усложнения ИС, что выражается в увеличении числа компонентов
и усложнении выполняемых ими функций, следует ожидать, что в ближайшем будущем будет происходить процесс интеграции технологических методов и приемов и большинство сложных ИС будут изготовляться на основе совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры и такую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании каждого вида технологии в отдельности. Например, при изготовлении полупроводниковой ИС все элементы (пассивные и активные) выполняются в одном технологическом процессе, поэтому параметры элементов оказываются взаимосвязанными. Определяющими являются активные элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переход база - коллектор транзистора, а в качестве резистора-диффузионная область, получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя оптимизировать параметры одного элемента, не изменив одновременно характеристики других. При заданных характеристиках активных элементов изменять номиналы пассивных элементов можно лишь изменением их размеров.
При использовании совмещенной технологии активные элементы изготовляются чаще всего методами планарной технологии в пластине кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии на окисленной поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) - поверхности той же самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и пассивной частей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики пассивных элементов в значительной мере независимы и определяются выбором материала, толщиной пленок и их геометрией. Поскольку транзисторы совмещенной ИС находятся внутри подложки, размеры такой схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению с гибридными ИС, которые используют дискретные активные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.
Схемы, изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд несомненных достоинств. Так, например, при этом имеется возможность получения на малой площади резисторов с большой величиной и малым температурным коэффициентом сопротивления, имеющих очень узкую ширину и большое поверхностное сопротивление. Контроль скорости осаждения в процессе получения резисторов позволяет изготовить их с очень высокой точностью. Резисторам, полученным путем осаждения пленок, не свойственны токи утечки через подложку даже при высоких температурах, а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствует возможности появления в схемах участков с повышенной температурой.
Тонкие пленки, помимо производства ИС по эпитаксиально-планарной технологии, широко используются в производстве гибридных ИС, а также при изготовлении новых видов микроэлектронных приборов (приборов с зарядовой связью, криотронных ЗУ на основе эффекта Джозефсона, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах и др.).
Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и
интегральных схем
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, меж соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла:
Низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов;
Высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей;
Высокой адгезией А1 к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости;
Заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности;
Отсутствием в системе Аl-Si химических соединений;
Химическим взаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на
контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и
радиационной стойкостью;
Легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.
Величина зерен осаждаемых пленок Аl существенно зависит от
скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зерна чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельное сопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и как следствие токоведущие дорожки, и омические контакты имеют больший срок службы. Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается при скоростях осаждения около 3 10-2 мкм с-1 и температуре подложки 200-250°С.
Для получения столь больших скоростей осаждения пленок чаще всего используются электронно-лучевые испарители. При этом степень совершенства кристаллической структуры пленок может неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационного нагрева подложек, величина которого зависит как от мощности испарителя, так и от материала подложки и толщины осаждаемой пленки.
Неконтролируемые изменения в структуре пленки возникают также из-за
наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемых паров Аl.
Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссии катода
и больше скорость испарения.
Ход работы
1. Включить питание лаборатории.
2. Приготовить раствор полиуретана.
2.1. В плотно закрывающуюся ёмкость налить 200 мл «Бутилацетата».
2.2. Покрошить «Пенополиуретан» до диаметра не превышающего диаметр горлышка ёмкости применяемой в пункте «3»
2.3. Измельчённый «Пенополиуретан» в пункте 5 постепенно вносить в «Бутилацетат» до получения раствора по консистенции как жидкая сметана
3. Включаем центрифугу
4. Открываем центрифугу, наносим вазелин на бронзовый грибок и распределяем тонко по поверхности.
5. Взяли алюминиевый электрод, нанесли его на вазелин и совместили центр электрода с центром грибка
6. На электрод наносим раствор (раствор полиуретана в бутилацетате). Распределяем его по всей поверхности и собираем излишки раствора.
7. Запускаем центрифугу на скорости 5000 об/мин.
8. После открытия центрифуга аккуратно, не повредив слой нанесенной пленки, снимаем электрод с нанесенной пленкой.
9. Повторить с 6 по 9 пункт
10. Совмещаем два электрода диэлектрическими пленками друг к другу, поместив между ними небольшое количество бутилацетата либо нашего раствора
11. Полученный конденсатор надо положить под пресс для наилучшего сращивания пленок
12. Убираем погрешность измерительных контактов на измерительной установке????:
12.1. Запускаем установку
12.2. Подключаем измерительные контакты к щупальцам установки
12.3. Заходим в меню и выбираем первый пункт OFFSET
12.4. При разомкнутых контактах убираем погрешность измерений емкости
12.5. При замкнутых контактах убираем погрешность сопротивления и индуктивности
12.6. Выход из меню
13. Помещаем полученный конденсатор между измерительными электродами
14. Результаты замера емкости заносим в отчет
Лабораторная работа № 5
Наночастицы серебра в водных растворах получают путем восстановления ионов серебра с помощью глюкозы, аскорбиновой кислоты, гидразина, боргидрида натрия и других восстановителей. Реакцию восстановления проводят в различных условиях. Восстановление глюкозой проводят при нагревании до 60 0 С. Для увеличения скорости протекания реакции используют гидроксид натрия. Полученные частицы исследуют различными способами: методом рентгеновской дифракции (XRD), методом трансмиссионной электронной микроскопии (TEM), а также проводились исследования на спектрофотометре. Исследования показали, что в ходе восстановления в водных растворах были получены частицы размером 10 – 20нм, λ = 1.5418 A°
К способам управления размерами наночастиц, применяемым в научной практике, относятся: использование полимерных матриц, позволяющих управлять размерами нанокластеров, полимерной защиты; физические методы управления размерами (обработка ультразвуком, облучение рентгеновским излучением и использование токов высокой чистоты). Изменение размера нанокластеров металлов добиваются также варьированием природы восстановителя [ Кузьмина Л.Н. Получение наночастиц серебра методом химического восстановления/Л.Н.Кузьмина, Н.С.Звиденцова, Л.В Колесников// Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева . – 2007. - Т. XХХ, № 8. – С.7 -12 ] . Так, использование боргидрида натрия при восстановлении позволяет в большинстве случаев получить наночастицы серебра с узким распределением по размерам в пределах 2-8 нм. Восстановление более мягким восстановителем, таким как гидразин, приводит к образованию более крупных наночастиц металлов с размерами 15-30 нм. При варьировании условий восстановления возможно получение практически монодисперсных наночастиц. Строение и размер продукта в большой степени зависит от условий реакции таких как температура и концентрация нитрата серебра. Например, когда температура понижается до 120 или увеличивается до 190, в полученном продукте доминируют наночастицы с нерегулярной структурой (формой). Начальная концентрация нитрата серебра должна быть не больше 0.1М, в противном случае будет выпадать в виде осадка металлическое серебро. Наночастицы серебра с различными размерами могут быть получены в результате увеличения времени проведения реакции.
Также известны способы получения наночастиц серебра в неводных средах. Наночастицы серебра с фиксированным размером были синтезированы с помощью модифицированного высокомолекулярного процесса, который предполагает восстановление нитрата серебра с этиленгликолем в присутствии стабилизаторов, таких как поливинилпирролидон [ Сергеев Б.М.. Получение наночастиц серебра в водных растворах полиакриловой кислоты/ Б.М.Сергеев, М..В. Кирюхин, А.Н.Прусов, В.Г Сергеев // Вестник Московского Университета. Серия 2. Химия – 1999. – Т.40, №2. – С. 129-133.].
1.2. 2."Зеленый синтез": получение наночастиц с использованием растений
Растения способны восстанавливать ионы металлов как на своей поверхности, так и в различных органах и тканях, удаленных от места проникновения ионов. В связи с этим растения используются для извлечения ценных металлов. Подобный процесс в настоящее время называется фитодобычей. Накопленные металлы можно извлекать из убранных растений с использованием агломерационного и плавильного методов. Исследование процесса биоакумуляции металлов в растениях показало, что металлы, как правило, накапливаются в виде наночастиц. Например, растения Brassica juncea (листовая горчица) и Meticago sativa (люцерна посевная) накапливали наночастицы серебра размером 50 нм в количестве до 13.6% от собственного веса при выращивании на нитрате серебра в качестве субстрата . Икосаэдры золота размером 4 нм выявлялись в M. Sativa , полусферические формы частиц меди размером 2 нм – в Iris pseudocorus (ирис всевдоаировый) , выращенных на субстратах, содержащих соли соответствующих металлов .
В целом механизм синтеза металлических наночастиц в растениях и в растительных экстрактах включает три основные фазы: 1) фазу активации, в процессе которой происходит восстановление ионов металла; 2) фазу роста, в течение которой происходит спонтанное включение мелких соединений наночастиц в наночастицы большего размера (формирование наночастиц за счет гетерогенной нуклеации и роста), что сопровождается увеличением термодинамической стабильности наночастиц, и 3) фазу терминации процесса, определяющую окончательную форму наночастиц .
Процесс образования наночастиц схематически изображен на рисунке 1.Рис. 1. Схема синтеза металлических наночастиц в растительном экстракте. Ионы металла связываются с восстаналивающими метаболитами и стабилизирующими агентами, восстаналиваясь до атомов металлов. Полученных комплекс атома металла с метаболитом взаимодействует с другими комплексами, формируя метаболлическую наночастицу, затем происходит рост и слияние отдельных мелких наночастиц в более крупные за счет процесса переконденсации до тех пор, пока частицы не обретут нужный размер и форму, стабильные в данных условиях.
При увеличении длительности фазы роста наночастицы агрегируют между собой, образуя нанотрубки, нанопризмы, наношестиугольники, а так же множество других наночастиц нерегулярной формы .
В настоящее время для синтеза металлических наночастиц используют различные физические и химические процессы, позволяющие получать наночастицы с заданными свойствами. Однако, несмотря на широкое распространение, это, как правило, дорогостоящие, трудоемкие способы, сопряженные с риском и потенциальной опасностью для окружающей среды и живых организмов. Таким образом, существует очевидная потребность в альтернативных экономически эффективных и в то же время экологически чистых методах производства наночастиц .
При получении наночастиц необходимо учитывать их неустойчивость и высокую реакционную способность, которые могут привести к агрегации наночастиц, потере необходимых свойств при взаимодействии с окружающей средой, изменить структуру наночастиц. Это может нарушить эволюционный переход к наноматериалу и в конечном итоге определить низкий уровень качества эксплуатационных характеристик [Минько с соавт., 2013].
1.2 Основные методы получения наночастиц серебра
1.2.1 Получение наночастиц серебра методом химического восстановления в растворах
Наночастицы серебра в водных растворах получают путем восстановления ионов серебра с помощью глюкозы, аскорбиновой кислоты, гидразина, боргидрида натрия и других восстановителей. Реакцию восстановления проводят в различных условиях. Восстановление глюкозой проводят при нагревании до 60 0 С. Для увеличения скорости протекания реакции используют гидроксид натрия. Полученные частицы исследуют различными способами: методом рентгеновской дифракции (XRD), методом трансмиссионной электронной микроскопии (TEM), а также проводились исследования на спектрофотометре. Исследования показали, что в ходе восстановления в водных растворах были получены частицы размером 10 – 20нм, λ = 1.5418 A°
К способам управления размерами наночастиц, применяемым в научной практике, относятся: использование полимерных матриц, позволяющих управлять размерами нанокластеров, полимерной защиты; физические методы управления размерами (обработка ультразвуком, облучение рентгеновским излучением и использование токов высокой чистоты). Изменение размера нанокластеров металлов добиваются также варьированием природы восстановителя . Так, использование боргидрида натрия при восстановлении позволяет в большинстве случаев получить наночастицы серебра с узким распределением по размерам в пределах 2-8 нм. Восстановление более мягким восстановителем, таким как гидразин, приводит к образованию более крупных наночастиц металлов с размерами 15-30 нм. При варьировании условий восстановления возможно получение практически монодисперсных наночастиц. Строение и размер продукта в большой степени зависит от условий реакции таких как температура и концентрация нитрата серебра. Например, когда температура понижается до 120 или увеличивается до 190, в полученном продукте доминируют наночастицы с нерегулярной структурой (формой). Начальная концентрация нитрата серебра должна быть не больше 0.1М, в противном случае будет выпадать в виде осадка металлическое серебро. Наночастицы серебра с различными размерами могут быть получены в результате увеличения времени проведения реакции.
Для исследования влияния рН на устойчивость водных коллоидных растворов, раствор нитрата серебра был предварительно обработан и его значение рН установлено по растворам NaOH и HCl. Процесс восстановления серебра шел замедленно в сильнокислых (рН 1.5) и в основных (рН 12.5) условиях. Коллоидный раствор в щелочной среде сохраняет устойчивость в течении больше, чем 2 недели без образования осадка. В то время как в кислотных условиях подобная стабильность не наблюдается, образовавшиеся агригаты сохраняются лишь в течении 5 дней при рН 1.5.
Также известны способы получения наночастиц серебра в неводных средах. Наночастицы серебра с фиксированным размером были синтезированы с помощью модифицированного высокомолекулярного процесса, который предполагает восстановление нитрата серебра с этиленгликолем в присутствии стабилизаторов, таких как поливинилпирролидон . Несмотря на то, что принцип селективности для этих систем еще не полностью изучен, предполагают, что селективная адсорбция ПВП на различных кристаллографических плоскостях серебра определяет морфологию продукта.
Оптические измерения коллоидных наночастиц серебра в этаноле показывают единственный максимум при длине волны 395нм, который связан с поверхностным плазмонным резонансом. Это и соответствует сферическим наночастицам серебра размером 5-8нм. Наблюдался процесс разрушения наночастицы при прохождении через энергетический барьер: должно накопиться необходимое для разрушения наночастицы количество энергии и, одновременно, проникнуть в запрещенную энергетическую зону и индуцировать многофотонный процесс.
1.2.1.1 Получение наночастиц серебра методом фотолиза
Процесс фотолиза, с помощью лазерного возбуждения, также может быть использован для получения наночастиц серебра в коллоидных растворах. Камат в своей работе предполагал, что в процессе фотолиза наночастицы серебра теряют электроны за счет фотоэжекции, образуя переходное состояние, которое предшествует окончательному разделению больших частиц. Таками считал, что уменьшение размера частиц наблюдается после облучения нановторичными Nd:YAG лазерными импульсами. Это объясняется частичным нагревом, плавлением и испарением поверхностного слоя. Моханти предполагал, что лазерное облучение разбивает наночастицы серебра на мельчайшие фрагменты, которые снова образуют частицы новых размеров. Таким образом, основным способом контроля размера образующихся наночастиц является облучение.
1.2.1.2 Получение наночастиц серебра с помощью лазерного излучения
В последние несколько лет для получения коллоидных частиц металлов использовалось лазерное облучение. Для элементов, в первых работах Мафуна , было показано, что получение наночастиц с помощью лазера, может быть выполнено в растворах, эта возможность используется металлическими коллоидными частицами, без учета ионов в конце процесса образования наночастиц. Изучается возможность расширения этого процесса для большего числа различных растворителей отличных от воды, что было представлено в работах Амондола , который предложил способ контролирования металлических кластерных соединений за счет переизлучения, мониторинга результатов с помощью исследования оптических свойств. Совсем недавно исследовалось прямое влияние лазерного излечения на золото-серебряную коллоидную смесь, что дало новые способы получения сплавов наночастиц.
Контроль размера, формы и структуры металлических наночастиц технологически важны из-за сильных корреляций между этими параметрами и оптическими, электрическими и кристаллическими свойствами.
Применении пероксида водорода. 2. Экспериментально определить влияние различных катализаторов на процесс разложения пероксида водорода. 3. Исследовать влияние поверхностно-активных веществ (твина – 80) на устойчивость пероксида водорода в водных растворах. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 1. Пероксид водорода 1.1 Строение молекулы. Физические и химические свойства Пероксид водорода – соединение...
... «Анализ смеси катионов 1 аналитической группы (Na+, K +, NH4+)». Цель работы: закрепление знаний, полученных при изучении свойств катионов; выработка навыков и умений систематического анализа катионов. Оборудование: пробирки, держатель, спиртовка, фильтровальная бумага, индикаторная бумага, стеклянные палочки, анализируемый раствор, реактив Несслера, гидротартрат натрия, дигидроантимонат...
При изучении синтеза новых материалов и процессов ионного транспорта в них. В чистом виде такие закономерности наиболее четко прослеживаются при исследовании монокристаллических твердых электролитов. В то же время при использовании твердых электролитов в качестве рабочих сред функциональных элементов необходимо учитывать, что нужны материалы заданного вида и формы, например в виде плотной керамики...
Изобретение может быть использовано в области химии, медицины и нанотехнологии. Способ получения наночастиц серебра включает приготовление водных растворов нитрата серебра концентрации 0,001÷0,02 М/л и L-цистеина концентрации 0,00125÷0,04 М/л. Полученные растворы смешивают при мольном соотношении нитрата серебра и L-цистеина в диапазоне 1,25÷2,00 и выдерживают при температуре 15÷55°C в течение 0,34÷48 часов в защищенном от света месте с получением раствора супрамолекулярного полимера. Полученный раствор супрамолекулярного полимера разбавляют водой в объемном соотношении 1:1. Готовят водный раствора борогидрида натрия концентрации 0,003÷0,010 М/л и добавляют в раствор супрамолекулярного полимера при постоянном перемешивании. Изобретение позволяет получить наночастицы серебра со средним гидродинамическим радиусом 20 нм. 4 ил., 1 пр.
Рисунки к патенту РФ 2526390
Изобретение относится к области получения наноразмерных структур из серебра, полученных в результате химического восстановления борогидридом натрия ионов серебра, включенных в супрамолекулярный полимер. Способ позволяет получать стабильные наночастицы серебра со специфическими свойствами, используя только биосовместимые реагенты. Наночастицы серебра могут быть применены в разработке антибактериальных материалов и нанотехнологиях.
Способ получения наночастиц серебра (НЧС) на основе супрамолекулярного полимера открывает широкие возможности управления их свойствами. Супрамолекулярные полимеры - это полимероподобные макромолекулярные структуры, полученные в результате ассоциации ионов, удерживаемых вместе межмолекулярными силами.
Технический результат настоящего изобретения заключается в получении наночастиц серебра со средним гидродинамическим радиусом 20 нм.
Технический результат достигается в два этапа.
Первый этап - смешение водного раствора нитрата серебра с концентрацией его в исходной смеси от 0,001М до 0,02М с водным раствором L-цистеина, таким образом, чтобы мольное соотношение серебра и L-цистеина находилось в диапазоне 1,25÷2,00. При этом образуется мутный раствор, который оставляют созревать в защищенном от света месте при температуре от 15 до 55°C до визуальной прозрачности. Созревание происходит в течение от 20 минут до двух суток (от 0,35 часа до 48,00 часов), в зависимости от концентрации исходных компонентов, их мольного соотношения и температуры. В результате получают прозрачный вязкий раствор супрамолекулярного геля светло-желтого цвета. Методика его синтеза соответствует патенту РФ № 2423384 от 10.07.2011.
В ультрафиолетовом спектре полученного раствора наблюдается появление двух слабых полос поглощения: в области 305 нм и 389 нм (Фиг.1).
Относительная вязкость полученного раствора находится в пределах от 1,1 до 2,5, в зависимости от концентрации исходных компонентов, их мольного соотношения и времени созревания раствора. Установлено, что для достижения результата необходим только L-цистеин высокой степени чистоты (не менее 99%).
Второй этап предполагает смешение водного раствора супрамолекулярного полимера на основе нитрата серебра и L-цистеина с водным раствором борогидрида натрия при постоянном перемешивании. Мольное соотношение серебра и борогидрида натрия должно составлять 0,4. При этом образуется красно-коричневый раствор с низкой вязкостью.
В ультрафиолетовом спектре полученного раствора имеются полосы поглощения в диапазоне от 390 до 500 нм, соответствующие явлению плазмонного резонанса на металлических наночастицах серебра или их агрегатах (Фиг.2).
Исследованием уровня техники установлено, что способов получения наночастиц серебра химическим восстановлением борогидридом натрия из водного раствора супрамолекулярного полимера на основе нитрата серебра и L-цистеина не обнаруживается.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Водный раствор супрамолекулярного полимера (L-цистеин серебряный раствор) на основе L-цистеина и нитрата серебра представляет собой раствор полимероподобного супрамолекулярного соединения, построенного из молекул меркаптида серебра и ионов серебра, с формированием линейных цепочек со связями серебро-сера: -Ag-S-Ag-S-Ag-S-.
Авторами впервые было установлено, что указанный раствор может использоваться как исходный реагент для синтеза седиментационно и частично агрегативно устойчивых наночастиц серебра со специфическими свойствами. Ионы серебра, включенные в супрамолекулярный полимер, восстанавливаются борогидридом натрия до металлического серебра. Размер синтезируемых наночастиц серебра детерминируется размером супрамолекул, их концентрацией, температурой проведения процесса и другими факторами. Молекулы цистеина, входившие в состав супрамолекулярного полимера, связываются с поверхностью получаемых наночастиц по тиольной группе. Тем самым наночастицам придается седиментационная и частично-агрегативная устойчивость. Срок хранения растворов наночастиц, полученных данным способом, без значительного изменения их свойств, - около 6 месяцев.
Образование фракций наночастиц размером от 10 до 50 нм в растворе установлено методом динамического светорассеяния. Измерение интенсивности ДСР выполнено на анализаторе Zetasizer ZS (Malvern Instruments Ltd., Великобритания) с He-Ne - лазером ( =633 нм) мощностью 4 мВт. Все измерения осуществлялись при 25°C. На Фиг.3 представлены данные динамического светорассеяния, которые свидетельствуют о наличии в данном растворе наночастиц со средним гидродинамическим радиусом порядка 20 нм. Фракция наночастиц с большим размером представлена обратимыми агрегатами из первой фракции.
Методом просвечивающей электронной микроскопии установлено присутствие в растворе наночастиц размером от 10 до 50 нм, рефлексы которых на электронограмме образца соответствуют присутствию металлического серебра.
На Фиг.4 представлены электронно-микроскопический снимок и электронограмма высушенного на подложке из формвара образца раствора наночастиц серебра, полученные на просвечивающем электронном микроскопе «LEO 912 АВ OMEGA» (Carl Zeiss, Германия).
В предложенном способе получения наночастиц используется биологически активное супрамолекулярное соединение на основе биосовместимой аминокислоты L-цистеина и нитрата серебра. Наночастицы серебра являются стабильным биологически активным продуктом, совместимым с полимерами медицинского назначения.
Антибактериальное действие катионов серебра объясняется тремя механизмами: вмешательством в перенос электронов, связыванием ДНК и взаимодействием с мембраной клетки. Наночастицы металлического серебра обладают антибактериальным действием благодаря их медленному окислению и высвобождению в окружающую среду катионов серебра. Этот фактор играет решающую роль в ряде случаев медицинского применения. Ионное серебро в высоких концентрациях обладает токсическим воздействием не только на прокариотические клетки бактерий, но и на эукариотические клетки организма пациента. Это вызывает определенные трудности с разовой дозировкой препарата. При использовании наночастиц серебра достижение минимально ингибирующих концентраций происходит постепенно (по мере окисления развитой поверхности наночастиц), и токсического действия на организм не наблюдается. Кроме того, существуют данные о большей чувствительности патогенных и условно патогенных грибков (например, Candida) именно к наночастицам серебра, которые разрушают клеточные мембраны и угнетают рост грибковых клеток. Таким образом, наночастицы серебра могут использоваться в тех случаях, когда нельзя по каким-то причинам повышать содержание ионов серебра. В предлагаемом нами способе получения наночастиц серебра существует возможность получения наночастиц с заранее заданным размером.
Изобретение поясняется графическими материалами (Фиг.1÷4).
Фиг.1. УФ спектры L-цистеин-серебряного раствора при разном его разбавлении: 1 - без разбавления, 2 - разбавление в 2 раза, 3 - разбавление в 8 раз (концентрации компонентов в неразбавленном растворе: C AgNO3 =0,0038М, C cys =0,0030М; толщина слоя 1 см).
Фиг.2. УФ спектры растворов наночастиц серебра, полученных при разном разбавлении исходного ЦСР: 1 - без разбавления, 2 - разбавление в 2 раза, 3 - разбавление в 8 раз (концентрации компонентов в неразбавленном растворе: C AgNO3 = 0,0038М, C cys =0,0030М; толщина слоя 1 мм).
Фиг.3. Распределение НЧС по размерам в образце, полученном при разбавлении исходного раствора супрамолекулярного полимера в 8 раз (концентрации компонентов в неразбавленном растворе: C AgNO3 =0,0038М, C cys =0,0030М).
Фиг.4. ПЭМ-изображение (а) и электронограмма (б) образца наночастиц полученного при разбавлении исходного раствора супрамолекулярного полимера в 2 раза (концентрации компонентов в неразбавленном растворе: C AgNO3 =0,0038M, C cys =0, 0030М).
Пример получения наночастиц серебра:
1. Растворяют 127,5 мг нитрата серебра в 25 мл дистиллированной воды.
2. Растворяют 90,8 мг L-цистеина в 25 мл дистиллированной воды.
3. К 25 мл раствора нитрата серебра приливают 155 мл дистиллированной воды и 20 мл раствора L-цистеина, смесь энергично перемешивают. Смесь оставляют созревать в защищенном от света месте на 10 часов при комнатной температуре.
4. К 50 мл полученного раствора приливают 50 мл дистиллированной воды и смесь энергично перемешивают. Получают разбавленный раствор супрамолекулярного полимера.
5. Растворяют 37,0 мг борогидрида натрия в 10 мл дистиллированной воды
6. К 100 мл разбавленного раствора супрамолекулярного полимера при перемешивании приливают по каплям (со скоростью 1 капля в секунду) 10 мл раствора борогидрида натрия. Перемешивание продолжают до прекращения заметного выделения пузырьков газа.
Таким образом заявляется способ получения наночастиц серебра, включающий приготовление водных растворов нитрата серебра концентрации 0,001÷0,02 М/л и L-цистеина концентрации 0,00125-10,04 М/л, смешивание полученных растворов при мольном соотношении нитрата серебра и L-цистеина в диапазоне 1,25÷2,00, выстаивание смеси при температуре 15÷55°C в течение 0,34÷48,00 часов в защищенном от света месте с получением раствора супрамолекулярного полимера, разбавление смеси водой в объемном соотношении 1:1, приготовление водного раствора борогидрида натрия концентрации 0,003÷0,010 М/л и добавление водного раствора борогидрида натрия в раствор сумолекулярного полимера при постоянном перемешивании.
Использование предлагаемого способа получения наночастиц серебра в областях, отличных от медицины, дает возможность стабилизировать коллоидные растворы металлического серебра с определенным, заранее заданным размером дисперсной фазы. Хотя непосредственный способ применения наночастиц серебра в таких областях не является объектом данного патентования, стоит отметить, что это могут быть такие приложения, как электронные и оптоэлектронные приборы и устройства, композитные материалы различного назначения, электропроводящие клеи, пленки.
Использование наночастиц серебра в качестве гетерогенных катализаторов применяется во многих процессах органического синтеза (например, в производстве формальдегида). При этом размер частиц определяет эффективность катализа: чем больше поверхность катализатора, тем активнее протекает каталитический процесс. Использование заявляемого способа получения наночастиц серебра позволит получать катализаторы двумя способами: получение наночастиц in situ (непосредственно в матрице носителя) и пропитка носителя коллоидным раствором наночастиц.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения наночастиц серебра, содержащий приготовление водных растворов нитрата серебра концентрации 0,001÷0,02 М/л и L-цистеина концентрации 0,00125÷0,04 М/л, смешивание полученных растворов при мольном соотношении нитрата серебра и L-цистеина в диапазоне 1,25÷2,00, выстаивание смеси при температуре 15÷55°C в течение 0,34÷48,00 часов в защищенном от света месте с получением раствора супрамолекулярного полимера, разбавление смеси водой в объемном соотношении 1:1, приготовление водного раствора борогидрида натрия концентрации 0,003÷0,010 М/л и добавление водного раствора борогидрида натрия в раствор сумолекулярного полимера при постоянном перемешивании.
Цель работы: получение наночастиц серебра путем восстановления цитрат-анионом и тетрагидридоборатом натрия.
Применяемое оборудование: магнитная мешалка, обладающая функцией электроплитки-Hei-Standart ,химические стаканы на 200 мл (2шт), химический стакан на 100 мл (1 шт), колба на 50 мл.
Задание: получить наночастицы серебра, освоить работу на спектрофотометре, определить коэффициент экстинции наночастиц серебра, рассчитать размеры полученных наночастиц.
Подготовка к выполнению работы: ознакомиться с порядком работы на спектрофотометре и магнитной мешалке.
Особенности строения наночастиц серебра и их оптические свойства
Интерес к получению наночастиц серебра вызван свойствами, присущими только этому материалу: наибольшей интенсивностью полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР), самым высоким коэффициентом экстинции, явлением гигантского комбинационного рассеяния света, особенностями люминисценции и оптических характеристик приповерхностного слоя вблизи наночастиц серебра. Все больший интерес приобретает изучение бактерицидных свойств коллоидных растворов (наночастиц) серебра.
Кристаллическая решетка серебра, как и других металлов, устроена таким образом, что валентные электроны способны перемещаться по всему объему вещества, чем обусловлена высокая электропроводность металлов. Переменное электрическое поле светового луча смещает электроны проводимости и на поверхности наночастицы образуется диполь, который колеблется с частотой поля падающего света. Этот колеблющийся вблизи поверхности наночастицы диполь называют поверхностным плазмоном. Возникновение поверхностного плазмона возможно, если величина наночастицы много меньше длины падающего света.
Совпадение частоты колебаний поверхностного плазмона и частоты колебаний падающего света вызывает резонансное поглощение и рассеяние света, которое называется поверхностным плазмонным резонансом (ППР).
Поглощение света веществом рассчитывается по закону Ламберта-Бера
lg(J 0 /J) = εCd (1)
где J 0 и J - интенсивности света до и после прохождения через слой толщины d (см) раствора вещества с концентрацией С (моль/л). Отношение J0/J называется погашением или экстинкцией, величина ε -молярным коэффициентом экстинкции.
Коэффициент экстинкции серебра наибольший в максимуме ППР по сравнению с частицами такого же размера из других материалов, то есть, наночастицы серебра пропускают свет в этой области спектра меньше любых других соразмерных частиц.
При взаимодействии света с нанопроволоками, наностержнями или контактирующими цепочками наносфер, когда длина частиц сравнима с длиной волны падающего света, диполь, образующийся на конце частицы, вызывает поляризацию прилегающих
участков и образование волны, бегущей от одного конца нанопроволоки или цепочки наносфер к другому. Точное попадание света, при помощи лазера, на один конец нанопроволоки вызывает образование на другом конце колеблющегося диполя, излучающего свет с длиной волны падающего света. Такое явление называется поверхностным плазмонным поляритоном. Это позволяет использовать нанопроволоки и цепочки наносфер в качестве волноводов оптических наноустройств.
Комбинационное рассеяние света, это рассеяние света исследуемым веществом, связанное со структурой его молекулы. Если снимать спектры комбинационного рассеяния (КР) веществ, адсорбированных на поверхности серебряных наночастиц, то усиление интенсивности полос в спектре в расчете на одну молекулу достигает 10 5 -10 6 раз, по сравнению со спектрами, снятыми без участия наночастиц серебра. Это явление получило название – гигантское комбинационное рассеяние света. При условии точной фокусировки падающего света, можно получить усиление комбинационного рассеяния света в 10 15 раз, что позволяет снять спектр одной или нескольких молекул. Если частота падающего электромагнитного излучения и частота колебаний поверхностного плазмона одинаковы и равны ω, то усиление интенсивности полосы комбинационного рассеяния пропорционально ω 4 .
Поверхностный плазмонный резонанс усиливает интенсивность спектров флуоресценции в 10 2 -10 4 раз при совпадении длины волны ППР и длины волны возбуждения флуоресценции. При этом наблюдается уменьшение времени затухания флуоресценции, так как при взаимодействии электронных слоев наночастиц серебра и адсорбированных молекул облегчается переход между основным и возбужденным состоянием флуоресцирующей молекулы и скорость затухания флуоресценции увеличивается.
Молекулы веществ, находящиеся у поверхности наночастиц серебра подвергаются действию падающего излучения и поверхностного плазмонного резонанса, что увеличивает возможность фотохимических реакций для этих веществ, фотолюминисценции, поглощения и рассеяния света.
Наночастицы серебра размерами до 10 нм способны не только адсорбироваться на клеточной мембране, но и проникать внутрь бактерии. Бактерицидное действие серебра связывают с образованием ионов серебра (Аġ+) при окислении металла. Особое значение имеет форма наночастиц. Считают, что грань в декаэдрах и икосаэдрах, из которых состоит до 98% наночастиц в интервале 1-10 нм, обладает высокой химической активностью и присутствие этой грани усиливает антибактериальное действие наночастиц.
Эксперимент 1. Цитратный метод получения наночастиц серебра
Цитратный метод получения наночастиц золота, разработанный Туркевичем, применим и к получению наночастиц серебра. Но, так как серебро более активный металл, чем золото (Е 0 Аg+/Ag =0,8 В, Е 0 Au +3 /Au = 1,5 В), то синтез наночастиц серебра происходит более сложно из-за способности серебра к быстрому окислению и агрегации. Для усиления устойчивости коллоидных растворов серебра наночастицы необходимо стабилизировать. В цитратном методе получения наночастиц серебра и восстановителем и стабилизатором служит цитрат-анион, получаемый при растворении в воде трехзамещенной натриевой соли лимонной кислоты. При нагревании раствора и окислении цитрат-аниона образуется ацетондикарбоновая и итаконовая кислоты.
Эти кислоты адсорбируются на поверхности частиц и контролируют их рост.
В настоящее время существуют два механизма, объясняющих образование и рост наночастиц серебра.
Где Ag x – кластеры серебра (< 1 нм), Ag m – первичные частицы, стабилизированные цитратом (~ 1 нм), Ag n – конечные частицы, R – восстановитель.
И по первому и по второму механизму сначала образуются кластеры серебра, которые затем взаимодействуют со стабилизатором – цитратом и конденсируются, образуя более крупные частицы. После достижения размера ~ 1нм конденсация кластеров больше не происходит и образование наночастиц по первому и второму пути начинает различаться. В первом случае концентрация стабилизатора оказывается достаточной и дальнейший рост частиц происходит за счет восстановления ионов серебра на поверхности наночастиц. При этом увеличение размеров частиц происходит медленнее, что приводит к образованию устойчивых коллоидных растворов наночастиц, в основном сферической формы.
Во втором случае концентрация стабилизатора (цитрата) оказывается недостаточной, чтобы предотвратить агрегацию кластеров. Это приводит к образованию наночастиц большого диаметра.
Большое влияние на размеры наночастиц оказывает соотношение концентраций ионов серебра и цитрат-аниона, а так же время кипячения раствора.
Ход работы
1. 25 мл 1х10 -3 моль/л приготовленного на дистиллированной воде AgNO 3 и нагреть в химическом стакане объемом в 200 мл на магнитной мешалке до кипения.
2. Приготовьте 100 мл 1х10-3 моль/л раствора Na 3 C 6 H 5 O 7 в другом стакане и, при непрерывном размешивании, по каплям добавляйте в кипящий раствор AgNO3.
3. Наблюдайте изменение цвета раствора от бесцветного к желтому, что свидетельствует о восстановлении ионов серебра.
4. Нагревание продолжайте 15 минут, а затем охладите раствор до комнатной температуры.
Эксперимент 2. Получение наночастиц серебра путем восстановления тетрагидридоборатом натрия
Применение тетрагидридобората натрия (NaBH4) при получении наночастиц серебра имеет большее распространение, чем использование для этих же целей цитрат-аниона. Это объясняется более высокой восстановительной способностью боргидрида и простотой применения. Как и в цитратном методе, тетрагидридоборат натрия служит одновременно восстановителем и стабилизатором образующихся наночастиц.
Исследование механизма роста наночастиц показало, что в случае применения боргидрида, главную роль играет агрегация образовавшихся кластеров. До этого считалось, что согласно модели Ла Мера-Дайнегера, основное число коллоидных частиц создается в течение короткого времени нуклеации, а дальнейший рост происходит за счет восстановления ионов серебра на поверхности частиц (как в цитратном методе). Проведенные исследования показали, что концентрация ионов серебра в растворе не меняется во все время роста наночастиц. Это доказывает, что рост частиц не может происходить за счет восстановления серебра на поверхности кластеров. Увеличение размера частиц происходит за счет агрегации кластеров при разложении боргидрида, когда стабилизирующее действие тетрагидридобората натрия уменьшается.
Ход работы
1. 5 мл 1х10 -3 моль/л приготовленного на дистиллированной воде AgNO 3 и перелить в колбу на 50 мл.
2. Отмерить в стаканчик 15 мл 2х10 -3 моль/л NaBH 4 и охладить до температуры 0С 0 , поставив в кристаллизатор со льдом.
3. Перелить охлажденный NaBH 4 в колбу с AgNO 3 и быстро смешать, энергично встряхивая, что помогает образованию монодисперсных частиц.
Образующийся раствор желтого цвета показывает единственный пик поглощения с длиной волны около 400нм. Как показала электронная трансмиссионная микроскопия, образующиеся наночастицы имеют сферическую форму, диаметром 1-50 нм, а для некоторых препаратов 1-10 нм. На сферическую форму наночастиц указывает желтая окраска раствора. Образующиеся частицы стабильны, не осаждаются и не меняют окраску в течение нескольких недель.
Обработка результатов
С помощью спектрофотометра определить коэффициент экстинкции и используя формулу
C ext =24 πRε 3/2 м /λε (1)
(где R - радиус наночастицы, εм-диэлектрическая проницаемость среды, ε - диэлектрическая проницаемость частиц, λ-длина волны падающего света, C ext - коэффициент экстинкции) оцените размер наночастицы.
Контрольные вопросы
1.Чем объясняется возникновение на поверхности наночастиц избыточной поверхностной энергии?
2.Какое явление называется поверхностным плазмонным резонансом?
3.Что называется молярным коэффициентом экстинции и как рассчитать его величину, используя закон Ламберта-Бера?
4.Какое явление называют гигантским комбинационным рассеянием света и где оно применяется?
5.Как возникает поверхностный плазмонный поляритон и где возможно его применение?
6.Какие физические и химические явления могут происходить с молекулами веществ, адсорбированных на поверхности наночастиц серебра под действием поверхностного плазмонного резонанса?
7.Чем объясняется повышенная бактерицидная активность наночастиц серебра?
8.По какому механизму происходит восстановление наночастиц серебра с помощью цитрат-аниона?
9.Какой процесс приводит к росту наночастиц серебра при восстановлении ионов серебра тетрагидридоборатом натрия?
10.Какие способы получения наночастиц серебра Вы еще знаете?
Список используемых источников
1. Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Успехи химии, 2008, т.77, №3.
Лабораторная работа №4
Создание диэлектрических нанослоев на проводящей подложке и исследование их диэлектрических свойств
Цель работы:
Применяемое оборудование : Мешалка магнитная. Центрифуга. Установка для измерения электрических свойств. Бутилацетат. Пенополиуретан.
Задание: Изготовить конденсатор основанный нанослоев на проводящей подложке. Исследовать диэлектрические свойства.
Подготовка к выполнению работы :
Краткое теоретическое введение
Роль тонкопленочной технологии в производстве интегральных схем
Интегральная электроника развивается не как новая или обособленная область техники, а путем обобщения многих технологических приемов, ранее используемых в производстве дискретных полупроводниковых приборов и при изготовлении топкопленочпых покрытий.
В соответствии с этим в интегральной электронике определились два главных направления: полупроводниковое и тонкопленочное. Создание интегральной схемы на одной монокристаллической полупроводниковой (пока только кремниевой) пластине является естественным развитием отработанных в течение последних десятилетий технологических принципов создания полупроводниковых приборов, как известно, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации.
Тонкопленочное направление интегральной электроники основано на последовательном наращивании пленок различных материалов на общем основании (подложке) с одновременным формированием из этих пленок микро деталей (резисторов, конденсаторов, контактных площадок и др.) и внутрисхемных соединений.
Сравнительно недавно полупроводниковые (твердые) и тонкопленочные гибридные ИС рассматривались как конкурирующие направления в развитии интегральной электроники. В последние годы стало очевидно, что эти два направления отнюдь не исключают, а скорее, наоборот, взаимно дополняют и обогащают друг друга. Более того, до сегодняшнего дня не созданы (да, видимо, в этом и нет необходимости) интегральные схемы, использующие какой-либо один вид технологии. Даже монолитные кремниевые схемы, изготавливаемые в основном по полупроводниковой технологии, одновременно применяют такие методы, как вакуумное осаждение пленок алюминия и других металлов для получения внутрисхемных соединений, т. е. методы, на которых основана тонкопленочная технология.
Большим достоинством тонкопленочной технологии является ее гибкость, выражающаяся в возможности выбора материалов с оптимальными параметрами и характеристиками и в получении по сути дела любой требуемой конфигурации и параметров пассивных элементов. При этом допуски, с которыми выдерживаются отдельные параметры элементов, могут быть доведены до 1-2%. Это достоинство особенно эффективно проявляется в тех случаях, когда точное значение номиналов и стабильность параметров пассивных компонентов имеют решающее значение (например, при изготовлении линейных схем, резистивных и резистивно-емкостных схем, некоторых видов фильтров, фазочувствительных и избирательных схем, генераторов и т. п.).
В связи с непрерывным развитием и совершенствованием как
полупроводниковой, так и тонкопленочной технологии, а также ввиду все большего усложнения ИС, что выражается в увеличении числа компонентов
и усложнении выполняемых ими функций, следует ожидать, что в ближайшем будущем будет происходить процесс интеграции технологических методов и приемов и большинство сложных ИС будут изготовляться на основе совмещенной технологии. При этом можно получить такие параметры и такую надежность ИС, которых нельзя достигнуть при использовании каждого вида технологии в отдельности. Например, при изготовлении полупроводниковой ИС все элементы (пассивные и активные) выполняются в одном технологическом процессе, поэтому параметры элементов оказываются взаимосвязанными. Определяющими являются активные элементы, так как обычно в качестве конденсатора используется переход база - коллектор транзистора, а в качестве резистора-диффузионная область, получающаяся при создании базы транзистора. Нельзя оптимизировать параметры одного элемента, не изменив одновременно характеристики других. При заданных характеристиках активных элементов изменять номиналы пассивных элементов можно лишь изменением их размеров.
При использовании совмещенной технологии активные элементы изготовляются чаще всего методами планарной технологии в пластине кремния, а пассивные годами тонкопленочной технологии на окисленной поэлементны (резисторы, а иногда и конденсаторы) - поверхности той же самой кремниевой пластины. Однако процессы изготовления активной и пассивной частей ИС разнесены по времени. Поэтому характеристики пассивных элементов в значительной мере независимы и определяются выбором материала, толщиной пленок и их геометрией. Поскольку транзисторы совмещенной ИС находятся внутри подложки, размеры такой схемы могут быть значительно уменьшены по сравнению с гибридными ИС, которые используют дискретные активные элементы, занимающие сравнительно много места на подложке.
Схемы, изготовленные по совмещенной технологии, имеют целый ряд несомненных достоинств. Так, например, при этом имеется возможность получения на малой площади резисторов с большой величиной и малым температурным коэффициентом сопротивления, имеющих очень узкую ширину и большое поверхностное сопротивление. Контроль скорости осаждения в процессе получения резисторов позволяет изготовить их с очень высокой точностью. Резисторам, полученным путем осаждения пленок, не свойственны токи утечки через подложку даже при высоких температурах, а сравнительно большая теплопроводность подложки препятствует возможности появления в схемах участков с повышенной температурой.
Тонкие пленки, помимо производства ИС по эпитаксиально-планарной технологии, широко используются в производстве гибридных ИС, а также при изготовлении новых видов микроэлектронных приборов (приборов с зарядовой связью, криотронных ЗУ на основе эффекта Джозефсона, ЗУ на цилиндрических магнитных доменах и др.).
Тонкопленочная металлизация полупроводниковых приборов и
интегральных схем
При изготовлении полупроводниковых приборов и ИС для получения омических контактов к кремнию, меж соединений и контактных площадок, а также электродов затвора МОП структур широкое распространение получили пленки алюминия, что обусловлено следующими достоинствами этого металла:
Низкой стоимостью Аl и возможностью использования для всех процессов металлизации одного металла, что значительно упрощает и удешевляет технологию и предотвращает возникновение гальванических эффектов;
Высокой электропроводностью пленок Аl, близкой к электропроводности объемного материала; легкостью испарения Аl в вакууме из вольфрамовых тиглей и электронно-лучевых испарителей;
Высокой адгезией А1 к кремнию и его окислам; низкоомностью контакта Аl с кремнием р- и n-типов проводимости;
Заметной растворимостью кремния в Аl с образованием твердого раствора, почти не уменьшающего электропроводности;
Отсутствием в системе Аl-Si химических соединений;
Химическим взаимодействием А1 с Si02, частично остающимся на
контактных площадках; химической стойкостью А1 в окислительной среде и
радиационной стойкостью;
Легкостью проведения фотолитографических операций для получения конфигурации проводящих дорожек с использованием травителей, не реагирующих с кремнием и двуокисью кремния; хорошей пластичностью Аl и устойчивостью к циклическим изменениям температуры.
Величина зерен осаждаемых пленок Аl существенно зависит от
скорости испарения и температуры подложек. Чем больше величина зерна чем более совершенна кристаллическая структура пленки, тем меньше ее удельное сопротивление, меньше сказывается эффект электромиграции и как следствие токоведущие дорожки, и омические контакты имеют больший срок службы. Ориентированный рост пленок Аl на не окисленных поверхностях кремния в плоскости (111) наблюдается при скоростях осаждения около 3 10-2 мкм с-1 и температуре подложки 200-250°С.
Для получения столь больших скоростей осаждения пленок чаще всего используются электронно-лучевые испарители. При этом степень совершенства кристаллической структуры пленок может неконтролируемо изменяться вследствие дополнительного радиационного нагрева подложек, величина которого зависит как от мощности испарителя, так и от материала подложки и толщины осаждаемой пленки.
Неконтролируемые изменения в структуре пленки возникают также из-за
наличия заряженных частиц в молекулярном пучке испаряемых паров Аl.
Концентрация заряженных частиц тем выше, чем больше ток эмиссии катода
и больше скорость испарения.
Ход работы
1. Включить питание лаборатории.
2. Приготовить раствор полиуретана.
2.1. В плотно закрывающуюся ёмкость налить 200 мл «Бутилацетата».
2.2. Покрошить «Пенополиуретан» до диаметра не превышающего диаметр горлышка ёмкости применяемой в пункте «3»
2.3. Измельчённый «Пенополиуретан» в пункте 5 постепенно вносить в «Бутилацетат» до получения раствора по консистенции как жидкая сметана
3. Включаем центрифугу
4. Открываем центрифугу, наносим вазелин на бронзовый грибок и распределяем тонко по поверхности.
5. Взяли алюминиевый электрод, нанесли его на вазелин и совместили центр электрода с центром грибка
6. На электрод наносим раствор (раствор полиуретана в бутилацетате). Распределяем его по всей поверхности и собираем излишки раствора.
7. Запускаем центрифугу на скорости 5000 об/мин.
8. После открытия центрифуга аккуратно, не повредив слой нанесенной пленки, снимаем электрод с нанесенной пленкой.
9. Повторить с 6 по 9 пункт
10. Совмещаем два электрода диэлектрическими пленками друг к другу, поместив между ними небольшое количество бутилацетата либо нашего раствора
11. Полученный конденсатор надо положить под пресс для наилучшего сращивания пленок
12. Убираем погрешность измерительных контактов на измерительной установке????:
12.1. Запускаем установку
12.2. Подключаем измерительные контакты к щупальцам установки
12.3. Заходим в меню и выбираем первый пункт OFFSET
12.4. При разомкнутых контактах убираем погрешность измерений емкости
12.5. При замкнутых контактах убираем погрешность сопротивления и индуктивности
12.6. Выход из меню
13. Помещаем полученный конденсатор между измерительными электродами
14. Результаты замера емкости заносим в отчет
Лабораторная работа № 5
©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27
