Мікро- та нанорозмірні кристали сульфіду цинку отримані методом високотемпературного синтезу, що самопоширюється

Анотація

В роботі наведені результати, які демонструють, як методом синтезу високотемпературного, що самопоширюється (СВС,  англ. self-propagating high-temperature synthesis) можна отримувати кристали ZnS різних розмірів. Процес СВС можливий за рахунок екзотермічного реагуванні у системах з суміші порошків Zn та S, оскільки виділяється велика кількість тепла (ентальпія утворення, 202 кДж/моль).

Пресовані порошки Zn та S у стехіометричному співвідношенні поміщали в реактор, заповнений Ar або N до тиску P>0.5 МПа. Після ініціювання реакції запалюванням хімічна реакція поширюється по суміші компонентів і ми отримуємо зразок у вигляді зливка. Кристали ZnS з характерним розміром ~ 30 мкм отримані в традиційній твердофазній реакції СВС.

Після проходження хвилі горіння продовжується реагування компонентів паралельно з процесами кристалізації, що викликає утворення активного середовища, де відбуваються процеси самоорганізації. У ряді синтезованих зразків спостерігалися аномально великі кристали - «гігантські» довжиною ~ 1 мм і товщиною 0,1-0,2 мм і структури просторово правильної форми.Можна змінити розмір синтезованих кристалів сульфіду цинку за допомогою диспергатора NH₄Cl. При введенні 5 мас.% диспергатора монолітний зразок являє собою полікристалічний ZnS з характерним розміром зерна ~ 40 мкм, а при введенні 7 мас.% розмір зерна зменшився до 20 мкм. При подальшому збільшенні концентрації диспергатора до 10 мас. % синтезований матеріал ставав пухким, а характерний розмір зерен зменшувався до 5-10 мкм. При концентрації понад 10 мас. % утворився порошкоподібний ZnS.

Метод СВС дозволяє отримувати дрібнозернистий ZnS з розміром кристалітів 50¸100 нм (мезорозмірний) та 2¸50 нм (нанорозмірний) двома способами. Перший - полягає в конденсації пари речовини в розрідженій інертній атмосфері. При зміні величини тиску інертного газу в інтервал від 40 до 400 Па у процесі СВС відбувається вихід частини реагентів у вигляді пари з ампули в об’єм реактора. Частинки пара при зіткненні з атомами інертного газу швидко втрачають кінетичну енергію і утворюють частинки розмірами від 2 до 100 нм. Щоб сформувалися частинки потрібного розміру, необхідно підбирати тиск інертного газу в реакторі.

Другий спосіб отримання наночастинок методом СВС вимагає використання інертного розріджувача, що запобігає росту виникаючих частинок. Основна вимога до матеріалу розріджувача це його інертність як до реагентів у шихті, так і до синтезованого матеріалу. Вплив зміни тиску інертного газу на розмір отриманих наночастинок проявляється як безпосередньо, так і опосередковано - через розмір зони конденсації. З підвищенням тиску газу його густина збільшується і прискорюється тепловідвід, при цьому знижується швидкість утворення центрів кристалізації в газовій фазі, але збільшується швидкість росту кристалів, а отже, і розмір частинок, що отримуються.

Форма отриманих цим методом наночастинок залежить від їх розміру: наночастинки розміром <20 нм мають форму, близьку до сферичної, що зумовлено зміною відносного внеску поверхневої енергії в повну енергію наночастинки при зменшенні її розміру. Більші частинки огранені.