Електронно-променевий синтез наночастинок заліза та їх термічна стабільність у системі Fe–O

Анотація

Методом електронно-променевого фізичного осадження у вакуумі (EB-PVD) син­тезовано хімічно чисті (безлігандні) наночастинки Fe розміром 5–70 нм у пористій матриці NaCl. Вивчено вплив хімічного складу, температури підкладки та ізотермічної обробки на розмірний, структурний та фазовий склад наночастинок системи           Fe–O. Для цього методом EB-PVD незалежних молекулярних потоків Fe та NaCl на нерухомій підкладці були отримані конденсати 3–30% (мас.) Fe–NaCl при температурах підкладки 45–400 °C. Встановлено, що зі збільшенням вмісту Fe в конденсаті, ростом температури підкладки і температури термообробки середній розмір частинок системи Fe–O збільшується. Для вивчення кінетики окиснення наночастинок Fe конденсати, отримані при температурі підкладки 45 °C, ізотермічно обробили на повітрі при 200–650 °C. Отримані конденсати досліджували методами сканувальної електронної мікроскопії, трансмісійної електронної мікроскопії і рентгенофазового аналізу, а водні розчини конденсатів — методом динамічного розсіювання світла. Маючи, завдяки своєму малому розміру, високу адсорбційну здатність до кисню повітря та вологи, при розгерметизації вакуумної камери та при відділенні конденсату від підкладки відбувалося окиснення Fe в конденсаті за екзотермічною реакцією. При різних температурах підкладки і після термічної обробки наночастинки можуть містити в своєму складі чисте Fe і оксиди заліза Fe₃O₄ і Fe₂O₃. У досліджених конденсатах фаза α-Fe присутня лише при вмісті заліза більше 20% (ат.), що пояснюється тим, що з ростом розміру наночастинок (кристалітів) не весь їх об’єм встигає окислитись до фази Fe₃O₄. Окрім цього, наночастинки Fe₃O₄ додатково адсорбують кисень. Відношення атомарного відсотка кисню до атомарного відсотка заліза залежить від кількості заліза, знижується зі збільшенням його вмісту в конденсаті і навіть перевищує відповідне значення для стехіометричного складу Fe₂O₃, яке дорівнює 1,5. Проведене дослідження показало, що метод EB-PVD є універсальним щодо використання неорганічних матеріалів для синтезу і “консервування” чистих наночастинок металів і їх оксидів.