Гетерогенное зародышеобразование нульмерных частиц.

Гораздо более распространенным является гетерогенное зародышеобразование, которое происходит под влиянием поверхности какого либо тела.

В случае, когда новая фаза образуется на поверхности какого-либо материала, процесс называют гетерогенным зародышеобразованием. Рассмотрим процесс гетерогенного образования зародышей на плоской твердой поверхности. Предположим, что частицы из паровой фазы сталкиваются с поверхностью подложки. При этом они диффундируют и собираются, образуя зародыши в форме сегмента, как показано на рис. 1.

 

Подобно гомогенному зародышеобразованию, при этом происходит уменьшение свободной энергии Гиббса и увеличение поверхностной или межповерхностной энергии. Общее изменение химической энергии DG, в связи с образованием этих зародышей задается уравнением: В начало

(1)

где r - средний размер зародышей, Dm_n изменение свободной энергии Гиббса на единицу объема, g_nf, g_fs, g_sn - поверхностная или межфазная энергия пар-зародыш, зародыш-подложка и подложка-пар, соответственно. Соответствующие геометрические константы определяются выражениями:

(2)

(3)

(4)

где θ - краевой угол, который зависит только от поверхностных свойств и определяется выражением Юнга:

(5)

Зародыш стабилен только тогда, когда его размер больше критического, r*:

(6)

Критический энергетический барьер D G* определяется выражением:

(7)

Подставляя все геометрические константы, имеем:

(8)

 

(9)

Сравнивая уравнение (9) с уравнением (6 - см гомогенное зародышеобр-е), можно видеть, что первый член уравнения - это величина критического энергетического барьера для гомогенного образования зародышей, второй член - это фактор смачивания. Когда краевой угол равен 180^о, т.е. новая фаза совсем не смачивает подложку, фактор смачивания равен 1, и критический энергетический барьер становится таким же, как и для гомогенного зародышеобразования. Если краевой угол менее 180^о, энергетический барьер для гетерогенного образования зародыша всегда меньше, чем для гомогенного. Это объясняется тем, что, в большинстве случаев, гетерогенное зародышеобразование протекает легче, чем гомогенное. Когда краевой угол равен 0^о, фактор смачивания равен нулю и энергетический барьер для образования новой фазы отсутствует. Примером такого случая является зародышеобразование на подложке такого же самого материала.

Для синтеза наночастиц или квантовых точек на подложках, требуется, чтобы было θ > 0, и тогда уравнение Юнга имеет вид:

В начало

(10)

 

Такое гетерогенное зародышеобразование обычно относят к островковому (или Фольмер - Вебера) росту в тонких пленках. Другие два вида зародышеобразования – это рост слоевой (или ростФранка ван дер Мерве) и островково-слоевой рост (или рост Странски - Крастанова).

Следует отметить, что образование наночастиц через гетерогенное зарождение, отличается от паро-фазного процесса. При гомогенном зародышеобразовании в паровой фазе, частицы вначале формируются в паровой фазе и затем отлагаются на поверхности подложки, в то время как при гетерогенном зародышеобразовании, частицы роста сначала сталкиваются с поверхностью подложки, а затем образуют на ней зародыши. На поверхности подложки в ряде случаев специально создают дефекты, которые служат центрами зародышеобразования.