Ultraskaņas izsmidzināšanas pielietošana nanomateriālu sagatavošanā?

Ultraskaņas izsmidzināšana (UAS) ir tehnoloģija, kas izmanto ultraskaņas vibrāciju, lai šķidrās izejvielas sadalītu mikronu/nanometra{0}}izmēra pilienos, kas pēc tam ar nesējgāzi tiek transportēti uz substrātu vai reakcijas zonu. Pēc tam nanomateriālus sagatavo žāvējot, saķepinot vai ķīmiskās reakcijās. Tās galvenās priekšrocības ir vienādais pilienu izmērs (līdz 1-10 μm), precīzs un kontrolējams pārklājuma biezums (nm- μm līmenī), bez mehāniskiem bojājumiem un augsta izejvielu izmantošana. Tas ir plaši izmantots nanofilmu, nanopulveru un nanokompozītu materiālu sagatavošanā, un tas ir īpaši piemērots augstas klases jomām, piemēram, precīzai elektronikai, jaunajai enerģijai un biomedicīnai.

 

1. Nanofilmu izgatavošana (visvairāk plaši izmantots lietojums)

Lietojumprogrammas scenāriji:

◆Pusvadītāju/elektroniskās ierīces: vadošas nanoplēves (piemēram, ITO, grafēna, oglekļa nanocauruļu plēves), izolācijas plēves, fotorezistu pārklājumi;

◆Jauna enerģija: litija-jonu akumulatoru elektrodu plēves (nanosilīcija, litija dzelzs fosfāta pārklājumi), kurināmā elementu protonu apmaiņas membrānas (Nafion plēves modifikācija), saules bateriju gaismas absorbcijas slāņi (kvantu punktu plēves);

◆Funkcionālie pārklājumi: caurspīdīgas siltumizolācijas{0}}plēves (nanoTiO₂, ZrO₂ pārklājumi), antibakteriālas plēves (nanosudraba, cinka oksīda pārklājumi), pašattīrošas plēves (nanoSiO₂ hidrofobie pārklājumi).

Tehniskās priekšrocības:

◆ Lieliska plēves viendabība: vienāds pilienu izmērs novērš pārklājuma defektus (piemēram, caurumus un plaisas), ko izraisa "pilienu agregācija" tradicionālajā izsmidzināšanā;

◆ Precīzs un kontrolējams biezums: nanomēroga līdz mikrometram{0}}pārklājuma biezumu (piem., 10 nm–5 μm) var sasniegt, pielāgojot izsmidzināšanas frekvenci (20–180 kHz), šķidruma plūsmas ātrumu (0,1–10 ml/min) un izsmidzināšanas laiku;

◆ Sagatavošana zemai{0}}temperatūrai: zema kinētiskā enerģija, kad pilieni iedarbojas uz substrātu, ļauj sagatavot to istabas temperatūrā vai vidēji zemā temperatūrā (<200℃), making it suitable for flexible substrates (such as PET, PI films) or thermosensitive materials (such as biomacromolecules, quantum dots).

Tipiski gadījumi:

◆ Grafēna caurspīdīga vadoša plēve: Grafēna dispersija tiek izsmidzināta ar ultraskaņu un izsmidzināta uz stikla vai elastīga PET substrāta. Pēc žāvēšanas zemā-temperatūrā plēve ar loksnes pretestību<100 Ω/□ and a light transmittance >90% veidojas, piemērots skārienekrāniem un elastīgām displeja ierīcēm;

◆Litija -jonu akumulatora silīcija- bāzes anoda pārklājums: nano-silīcija daļiņu dispersija tiek izsmidzināta uz vara folijas substrāta, lai izveidotu vienmērīgu silīcija- bāzes pārklājumu (500 nm–2 μm biezs), uzlabojot akumulatora ietilpību un cikla stabilitāti.

2. Nanopulvera sagatavošana

Lietojumprogrammas scenāriji:

◆Metālu/sakausējumu nanopulveri (piemēram, nano-sudraba, vara, niķeļa pulveris): izmanto vadošās pastās, katalizatoros un 3D drukas izejmateriālos;

◆Oksīdu nanopulveri (piemēram, TiO₂, ZnO, Al₂O3 pulveris): izmanto fotokatalītiskos materiālos, keramikas izejvielās un pārklājuma piedevās;

◆Saliktie nanopulveri (piem., Fe₃O₄@SiO2, kvantu punktu pulveris): izmanto biosensoros, fluorescējošās zondēs un magnētiskos uzglabāšanas materiālos.

Tehniskās priekšrocības:

◆ Vienmērīgs pulvera daļiņu izmērs: kontrolējams pilienu izmērs rada šauru daļiņu izmēru sadalījumu (parasti 10-100 nm);

◆ Augsta tīrība: pilieni reaģē gāzes fāzē, izvairoties no piemaisījumu ievadīšanas, kā tradicionālajā mitrajā apstrādē;

◆ Kontrolējama morfoloģija: pielāgojot reakcijas temperatūru, nesējgāzes plūsmas ātrumu un prekursoru koncentrāciju, var sagatavot nanopulverus ar dažādu morfoloģiju, piemēram, sfērisku, pārslu un stieņu{0}}veidu.

Tipisks gadījums:

◆ Nano{0}}Sudraba pulvera sagatavošana: Sudraba nitrāta šķīdumu sajauc ar reducētāju (piemēram, etilēnglikolu), izsmidzina un pēc tam ievada 300 grādu reaktorā, lai samazinātu un radītu sfērisku sudraba pulveri ar daļiņu izmēru 20–50 nm, ko izmanto kā elektronisko LED elementu iesaiņojumu un fotovoltu.