Способ управления формой синтезируемых частиц и получения материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры (варианты)

Способ управления формой синтезируемых частиц и получения материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры (варианты)

Реферат

 

Изобретение относится к нанотехнологии и к высокодисперсным материалам, в частности к металлсодержащим материалам, и может быть использовано для разработки функциональных элементов в электронике, электротехнике, в оптических и нелинейно-оптических системах и устройствах, магнито-оптических системах, а также для создания новых элементов магнитной памяти и магнитных носителей информации, получения коллоидных частиц для магнито- и электрореологических жидкостей, а также для биомедицинских применений. Предложен способ управления формой синтезируемых частиц и изготовления материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры, заключающийся в проведении процессов синтеза частиц и формирования наноструктур, отличающийся тем, что процессы синтеза частиц и формирования наноструктур проводятся под действием внешнего электрического поля или внешних электрических и магнитных полей. Действие внешних постоянного и/или переменного электрических полей распространяют на дополнительные стадии, выбранные из группы, включающей в себя: формирование системы исходных реагентов и соединений, регулирующих процессы синтеза и стабилизации частиц, стадию стабилизации частиц, стадию изменения концентрации частиц, стадию экстрагирования частиц, стадию включения частиц в полимеризуемую композицию, стадию ориентации частиц, стадию формирования ориентированных упорядоченных ансамблей частиц и/или протяженных наноструктур, стадию полимеризации и отверждения материала, при этом область, в которой протекают процессы синтеза частиц и/или наноструктур, может включать жидкую, конденсированную и/или газовую фазы и границу их раздела, или твердотельную поверхность, или полости пористого материала. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности эффективного управления формой и ориентацией синтезируемых частиц а также получения протяженных линейных наноструктур. 2 с. и 50 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к нанотехнологии и к высокодисперсным материалам, в частности к металлсодержащим материалам, металлополимерам и тонкопленочным магнитным материалам, в частности магнитным материалам, и может быть использовано для разработки функциональных элементов в электронике, электротехнике, в оптических и нелинейно-оптических системах и устройствах, магнитооптических системах, а также для создания новых элементов магнитной памяти и магнитных носителей информации, получения коллоидных частиц для магнито- и электрореологических жидкостей, а также для биомедицинских применений.

Предшествующий уровень техники Дисперсные конденсированные и жидкие материалы, включающие в свою структуру неорганические, в том числе металлсодержащие, микро- и наночастицы, широко используются в технике. К таким материалам относятся, в частности, магнито- и электрореологические жидкости. Металлополимеры, например, применяют как электропроводящие клеи, герметики, защитные лакокрасочные покрытия и экраны для защиты от различных факторов внешней среды (коррозия, электромагнитные поля и ионизирующие излучения), для изготовления деталей и элементов различных механизмов и приборов. Магнитные тонкопленочные материалы применяются в основном в качестве носителей информации, записанной магнитным способом. Как правило, в состав таких материалов входят магнитные микро- и наночастицы, локализованные в органической полимерной матрице.

Свойства материала, включающего металлсодержащие частицы, в сильной степени зависят от природы металла, формы и размера частиц, ориентации и расположения частиц в структуре материала.

Так, для изготовления магнитных записывающих материалов, например магнитных дисков и магнитных лент, традиционно используются ферромагнитные частицы (например, частицы окиси железа -Fe₂O₃ или феррита бария BaO(Fe₂O₃)₆), диспергированные в связующей полимерной матрице. Магнитные частицы получают, как правило, путем механического измельчения объемного ферромагнитного материала в шаровой мельнице в присутствии необходимых стабилизирующих реагентов, а также путем химического синтеза, например в процессах разложения металлорганических соединений или в результате окислительно-восстановительных реакций. Качество получаемого магнитного покрытия определяется такими параметрами, как гладкость поверхности и ее механическая прочность, степень магнитной ориентации, коэрцитивная сила и др. Ферромагнитные частицы, входящие в состав дисперсного материала, имеют тенденцию к образованию агрегатов. Предотвращение такой агрегации необходимо для уменьшения эффективного размера магнитных частиц материала и повышения однородности материала, что важно для увеличения плотности магнитной записи и повышения качества магнитного материала. Для уменьшения агрегации магнитных частиц в состав материала, как правило, вводят специальные стабилизирующие соединения (полимерные или поверхностно-активные вещества), в результате чего у каждой частицы формируется мономолекулярная оболочка из органических молекул, которая препятствует агрегации магнитных частиц. Для традиционных технологий получения магнитных покрытий объемное содержание частиц в материале не превышает 20- 30% и не может быть более увеличено вследствие ограничений со стороны используемых технологий на реологические свойства исходного жидкого дисперсного материала. Нанесенный на твердотельную подложку жидкий магнитный материал ориентируют внешним магнитным полем и полимеризуют. Затем магнитное покрытие может обрабатываться механически с целью уменьшения его толщины и увеличения гладкости поверхности. На поверхность могут наноситься дополнительные покрытия, улучшающие механические свойства материала.

Известен способ получения тонкопленочного магнитного материала, содержащего неорганические ферромагнитные микрочастицы (авторское свидетельство СССР N 1608210, A1, инт. кл. G 11 B 5/68). Этот способ применяется для получения магнитных покрытий для носителей магнитной записи (магнитные ленты и магнитные диски). Известный способ заключается в предварительном создании ферромагнитных микрочастиц (средний размер частиц 0,3-0,4 мкм) путем измельчения в шаровой мельнице объемного магнитного материала (-Fe₂O₃) в присутствии ряда соединений, добавляемых с целью стабилизации и диспергирования ферромагнитных частиц, полимеризации магнитного материала и придания магнитному покрытию необходимых механических свойств. Затем суспензию, содержащую магнитные микрочастицы, фильтруют, наносят на лавсановую основу, отверждают при 120^oC и в результате получают тонкое магнитное покрытие.

Недостатком известного способа является то, что размер, неоднородности размера и форма магнитных микрочастиц определяются ограничениями используемых в известном способе методов и условий их приготовления, в частности измельчением в шаровой мельнице. Имеются ограничения в минимальном размере таких микрочастиц - около 0,3 мкм. Форма получаемых частиц неконтролируема в процессе их получения. Известный способ включает ряд трудоемких и длительных стадий, что делает его относительно дорогостоящим и малопроизводительным. Известным способом невозможно получить двумерную планарную систему ориентированных магнитных частиц (монослоя) анизотропной формы с узким распределением частиц по их размеру. Получаемый таким способом материал может быть только объемным полимерным дисперсным материалом.

Известны также способы получения металлсодержащих частиц и пленок путем разложения исходных металлорганических и координационных соединений (например, карбонилов металлов) под действием внешних воздействий, таких как химическое восстановление, нагревание, ультразвуковое воздействие или облучение, в объеме растворителя с органическими и полимерными компонентами.

Одним из наиболее близких к заявляемому способу технических решений является способ получения магнитных частиц железа в соответствии с патентом США N 3281344, (инт. кл. C 08 J 3/28, С 08 К 3/22), в котором неорганические магнитные железосодержащие частицы получаются путем разложения молекул железоорганических соединений, таких как карбонилы железа, в частности пентакарбонил железа. Частицы железа размером от 10 до 100 нм в этом способе получаются путем разложения железоорганического соединения под действием электромагнитного излучения или нагревания в присутствии инертного растворителя, полимера и малых органических добавок. Образовавшиеся дисперсные частицы железа существуют в виде коллоидной суспензии в инертном растворителе. Используемый растворитель характеризуется величиной диэлектрической проницаемости в пределах 1,7-20 и должен быть инертным по отношению к исходным реагентам и продуктам реакции. Предпочтительными являются инертные углеводороды и, особенно, ароматические углеводороды с количеством атомов углерода от 6 до 16. Свойства материала, содержащего получаемые таким способом частицы (коэрцитивная сила, размер частиц и однородность распределения частиц по размеру), могут быть улучшены путем включения в состав исходной реакционной смеси специальных добавок в количестве от 0,05% до 5%. В качестве таких добавок использовались низкомолекулярные соединения, такие как простые и сложные эфиры, кетоны и их серосодержащие аналоги. Каждая сформировавшаяся частица окружена полимерной оболочкой, которая служит буферным слоем, препятствующим слипанию частиц и образованию многочастичных агрегатов. В качестве полимеров использовались производные метакрилата, в частности полигексил метакрилат. Как правило, частицы в объеме материала образуют упорядоченные структуры в виде цепочек, как линейных, так и циклических. Вес металла обычно составляет от 0,5% до 5% (максимум 10%) от веса всей композиции. Для разложения карбонилов железа в процессе формирования наночастиц в этом способе предусмотрено воздействие на исходную смесь электромагнитным излучением или нагревание до температур в интервале от 110^oC до 225^oC. Коэрцитивная сила полученного объемного материала составляла около 300 Э.

К недостаткам вышеуказанного способа относится невозможность получения таким способом двумерной планарной системы магнитных частиц (монослоя) с узким распределением частиц по их размеру. Получаемый таким способом материал может быть только объемным полимерным дисперсным материалом. Форма получаемых таким способом частиц близка к сферической и не может быть изменена в ходе получения материала.

Известно, что действие внешнего магнитного поля на жидкий материал, содержащий коллоидные магнитные частицы (магнитную жидкость), приводит к образованию упорядоченных линейных ориентированных по полю цепочечных структур из таких частиц [Silva A.S., Wirtz D. Dominant diffusing mode in the self-similar phase separation of a magnetic suspension in a magnetic field, Langmuir, 1998, v.l4, p.578-581]. Полимеризация такого материала в состоянии, когда магнитные частицы образуют пространственно-упорядоченные структуры, позволяет получать материалы с анизотропной структурой и, соответственно, анизотропными свойствами, в частности проводимостью. Так, одним из наиболее близких к заявляемому способу технических решений является способ получения пленок и покрытий, обладающих анизотропной проводимостью, в соответствии с патентом США N 5851644 (инт. кл. В 32 В 7/02, В 32 В 5/16, H 01 В 1/06, H 01 С 1/06), в котором полимеризуемый жидкий дисперсный материал (магнитная жидкость, включающая коллоидные магнитные частицы и электропроводящие частицы, образующие упорядоченные ансамбли под действием внешнего магнитного поля в жидком состоянии материала) отверждается под действием внешнего магнитного поля, что обеспечивает фиксацию пространственно-упорядоченного расположения частиц в материале и анизотропию проводящих свойств материала. Такие материалы с анизотропной проводимостью используются в электронной промышленности. К недостаткам вышеуказанного способа относится невозможность получения таким способом двумерной планарной системы магнитных частиц (монослоя) с узким распределением частиц по их размеру. Недостатками вышеуказанного способа является то, что размер, неоднородности размера и форма используемых магнитных и проводящих частиц определяются ограничениями методов и условий их предварительного приготовления. Форма и состав используемых в этом способе магнитных частиц не контролируема в процессе их получения и не может изменяться в процессе формирования тонкопленочного покрытия.

Известно, что действие внешнего магнитного поля на исходные реагенты, используемые в процессе синтеза магнитных частиц, позволяет существенно улучшить химическую и гранулометрическую однородность получаемых частиц. Так, близким к заявляемому способу техническим решением является способ получения порошка феррита бария в соответствии с патентом Российской Федерации N 2022716 (инт. кл. B 22 F 9/16, H 01 F 1/11), в котором основной ферритообразующий компонент исходной реакционной смеси - оксид железа -фазы (-Fe₂O₃) предварительно обрабатывается импульсным магнитным полем напряженностью 0,1-3 Тл. В результате такой обработки происходят существенные магнитострикционные деформации и повышается химическая активность оксида железа, вследствие чего уменьшается характерный размер получаемых кристаллитов феррита бария пластинчатой шестигранной формы (до 0,1 мкм), а также повышается химическая и гранулометрическая однородность получаемых частиц. Отличием вышеуказанного изобретения от заявляемого нами способа является то, что в вышеуказанном способе магнитное поле действует на реагенты предварительно, до начала реакции синтеза магнитных частиц. При этом вышеуказанный способ не позволяет варьировать гексагональную форму синтезируемых частиц феррита бария.

Одновременное действие электрического и магнитного поля на суспензию коллоидных частиц, обладающих и магнитным и электрическим дипольными моментами, обеспечивает дополнительный полезный эффект, связанный с контролируемым изменением макроскопических механических свойств такой суспензии. Так, одним из наиболее близких к заявляемому способу технических решений является способ получения и использования магнитоэлектрореологической жидкости, в которой проявляется магнитореологический и электрореологический эффекты одновременно при одновременном действии на нее электрического и магнитного поля, в соответствии с патентом США N 5523157 (инт. кл. В 32 В 5/16), в котором жидкий дисперсный материал включает коллоидные проводящие ферромагнитные частицы, поверхность которых покрыта электроизолирующим слоем, суспендированные в непроводящем растворителе. Аналогичная по свойствам магнитоэлектрореологическая жидкость описана также в патенте США N 5714084 (инт. кл. С 10 М 171/00; С 10 М 169/04; H 01 F 001/44). В этом изобретении магнитоэлектрореологическая жидкость представляет собой суспензию частиц, которые имеют магнитное ядро, заключенное в электропроводящую оболочку. Поверхность таких частиц покрыта слоем поверхностно-активного вещества, а частицы суспендированы в электроизолирующей жидкости. При одновременном действии на магнитоэлектрореологическую жидкость внешних электрического и магнитного полей происходят более сильные и более быстрые изменения ее реологических механических свойств (обусловленные образованием упорядоченных ориентированных линейных цепочечных агрегатов частиц) по сравнению с изменениями, происходящими в такой жидкости под действием только магнитного или только электрического поля. Отличием вышеуказанных изобретений от заявляемого нами способа является то, что в них электрическое и магнитное поля одновременно действуют на систему уже предварительно полученных стабилизированных коллоидных частиц, при этом индивидуальные частицы не претерпевают изменений под действием внешних полей.

Тенденции развития систем записи и хранения информации характеризуются неуклонным увеличением плотности записи информации на носителе информации. Для увеличения плотности магнитной записи информации при использовании традиционного продольного способа записи необходимо уменьшение толщины магнитного записывающего покрытия и уменьшение размеров магнитных частиц в нем. В пределе это монослой магнитных частиц и дальнейшее увеличение плотности записи обусловлено возможностями уменьшения размеров магнитных частиц, и увеличением плотности их упаковки в монослое.

Наиболее близким к заявляемому способу техническим решением является способ получения тонкопленочного магнитного покрытия (патент США N 4333961; нац. кл. 427/13; инт. кл. B 05 D 1/04). Покрытие, получаемое в соответствии с данным способом, представляет собой монослой магнитно-ориентированных магнитных частиц, равномерно распределенных в материале покрытия, при этом толщина магнитного слоя ограничена лишь диаметром используемых магнитных частиц. Для реализации изобретения использовались промышленно производимые ферромагнитные частицы -Fe₂O₃ размером ~ 100 нм. В соответствии с данным способом исходные частицы -Fe₂O₃ диспергировались в растворе HCl для обеспечения разделения агрегировавших частиц. Затем pH раствора доводился до величины 3,5 и он смешивался с коллоидным раствором, содержащим избыточное количество частиц кремнезема (SiO₂) диаметром 7 нм при той же величине pH. При этой величине pH частицы -Fe₂O₃ заряжены положительно, а частицы кремнезема - отрицательно. В результате адсорбции частиц кремнезема на поверхность частиц оксида железа получалась дисперсия, состоящая из частиц -Fe₂O₃, покрытых слоем частиц кремнезема. Поверхность полученных частиц была заряжена отрицательно. В основе процесса формирования магнитного покрытия на подложке в этом изобретении лежит электростатическое взаимодействие заряженных магнитных частиц с противоположно заряженной поверхностью подложки в водном окружении. При этом магнитные частицы ориентируются под действием внешнего магнитного поля до их адсорбции на поверхность подложки. Поскольку одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, в результате их адсорбции на поверхности подложки формировался монослой индивидуальных неагрегированных магнитных частиц. Для увеличения магнитного сигнала получаемого таким способом носителя информации на сформированный слой магнитных частиц может наноситься новый активный адсорбирующий слой, и процесс адсорбции магнитных частиц может повторяться. В результате возможно формирование многослойной магнитной структуры, в которой магнитные слои могут иметь одинаковую или различную коэрцитивную силу. Для стабилизации полученного монослоя магнитных частиц и придания поверхности магнитного слоя необходимых механических свойств, наносятся дополнительные покрытия из полимеризующихся материалов, таких как эпоксидные соединения, полиуретаны. Для их полимеризации вся система подвергается необходимой температурной обработке. Затем поверхность покрытия обрабатывается механически (полируется) для достижения необходимой ровности и уменьшения дефектов.

Недостатком вышеуказанного способа является то, что размер, неоднородности размера и форма используемых магнитных частиц определяются ограничениями методов и условий их приготовления, в частности измельчением в шаровой мельнице. Имеются ограничения в минимальном размере таких частиц. Форма и состав используемых в этом способе магнитных частиц не контролируема в процессе их получения и не может изменяться контролируемым образом в процессе формирования тонкопленочного монослойного магнитного покрытия. Минимальное расстояние между частицами в материале составляет ~ 14 нм, что препятствует их более плотной упаковке в материале.

К настоящему времени с использованием традиционной продольной технологии магнитной записи уже достигнута плотность записи около 510⁹ бит/кв.дюйм. При такой плотности записи размеры площади поверхности диска, приходящейся на один бит информации, составляют около 1,2 х 0,104 мкм. Считается возможным достижение плотности записи 1010⁹ бит/кв.дюйм с использованием традиционной продольной технологии записи. В этом случае один "бит" будет занимать площадь 1 х 0,07 мкм, а толщина пленки составлять 30 нм [Awschalom D.D. , DiVincenzo D. P., Complex dynamics of mesoscopic magnets. Physics Today, 1995, V. 48, N 4, p. 43-48]. Дальнейшее увеличение плотности записи с использованием такой технологии сталкивается с проблемами, обусловленными эффектами термоиндуцированной релаксации остаточной намагниченности, взаимного влияния соседних "битов" и внутренних размагничивающих полей, уменьшения величины полезного сигнала относительно шума и искажений, продуцируемых окружающей средой. В результате записанная таким способом информация будет относительно быстро теряться с течением времени или вообще не сможет быть записана.

Для дальнейшего увеличения плотности записи разрабатываются магнитные записывающие материалы, в которых реализуется запись информации путем намагничивания магнитного покрытия перпендикулярно (или под близким к прямому углом) к его поверхности. При таком способе записи объем магнитных частиц и, соответственно, магнитная энергия, может быть увеличена за счет увеличения толщины магнитного покрытия (и, соответственно, эффективного объема магнитного материала) при уменьшении диаметра вертикально ориентированных магнитных частиц. В результате проблема термической дестабилизации записанной информации может быть преодолена [Simonds J.L., Magnetoelectronics today and tomorrow, Physics Today, 1995, V. 48, N 4, p.p. 26-32]. При таком способе магнитной записи важно, чтобы слой записывающего магнитного материала обладал существенной перпендикулярной магнитной анизотропией. Такой записывающий слой наносят на слой мягкого магнетика, локализованный на твердотельной подложке.

Дальнейшее увеличение плотности записи информации означает дальнейшее уменьшение физических размеров областей, соответствующих одному биту записанной информации. В этой связи возникает вопрос о возможности использования индивидуальной однодоменной частицы для записи и хранения одного бита информации.

Как правило, магнитные частицы с размерами ~ 100 нм и более являются мультидоменными. При уменьшении размеров частиц возникает ситуация, когда в частице не может существовать более одного домена, и такие частицы называются однодоменными или субдоменными. Магнитные свойства однодоменных частиц определяются взаимодействием их магнитных моментов с внешним полем. Факторами, определяющими коэрцитивную силу магнитных частиц, являются: кристаллическая и поверхностная анизотропия, анизотропия формы, напряжений и обменных взаимодействий. В связи с этим важна разработка способов управления формой магнитных частиц и получения анизотропных ориентированных магнитных частиц с целью улучшения магнитных свойств материалов, содержащих такие частицы.

Уменьшение объема магнитной частицы и соответствующее уменьшение ее магнитной энергии по сравнению с kT неизбежно приводит к так называемому суперпарамагнитному состоянию частицы, когда тепловая энергия или квантовые эффекты дестабилизируют остаточную намагниченность индивидуальной однодоменной частицы и исключают возможность сохранения ориентированной намагниченности такой частицы в отсутствие внешнего поля [Awschalom D.D., DiVincenzo. D.P., Complex dynamics of mesoscopic magnets. Physics Today, 1995, V. 48, N 4, p. p. 43-48] . Для преодоления суперпарамагнитного предела уменьшения размера однодоменных частиц предполагается использование упорядоченных ансамблей взаимодействующих магнитных наночастиц, обладающих полезными коллективными магнитными свойствами [Simonds J.L., Magnetoelectronics today and tomorrow. Physics Today, 1995, V. 48, N 4, p.p. 26-32]. Достижение плотности записи в 10010⁹ бит/кв.дюйм потребует уменьшения площади одного бита на поверхности диска до 80х80 нм. Предполагается, что магнитная среда для такой высокой плотности записи может представлять собой систему вертикально ориентированных цепочек однодоменных частиц [Simonds J.L., Magnetoeloctronics today and tomorrow. Physics Today, 1995, V.48, N 4, p.p. 26-32].

При уменьшении размеров магнитных частиц неизбежно растет отношение площади их поверхности к объему. Известно, что магнитные свойства поверхностных слоев часто существенно отличаются от свойств объемной фазы магнитного материала [Awschalom D.D., DiVincenzo D.P., Complex dynamics of mesoscopic magnets. Physics Today, 1995, V. 48, N 4, p. 43-48; Dowben, P.A., Mellroy, D. N., "Surface magnetism of the lanthanides", Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, Vol. 24, ed. by K.A. Gschneidner, Jr. and L. Eyring, Elsevier Science, New York 1997, p.p. 1-46]. Возможно даже получение предельно тонкой магнитной среды (толщина магнитного слоя соответствует размеру одного атома металла), магнитное упорядочение в которой наблюдается при температурах выше температуры Кюри соответствующего объемного металла [Бор Я., Гудошников С. А. , Кокшаров Ю.А., Снигирев О.В., Тишин А.М. и Хомутов Г.Б. Международная заявка PCT/RU97/00150, международная публикация W098/10442 от 12.03.98.]. В связи с этим важной является разработка способов контроля состава и свойств поверхности синтезируемых частиц.

Тенденции развития электроники также характеризуются уменьшением характерных размеров функциональных элементов и разработкой устройств на основе полупроводниковых [Alivisatos А.Р., Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots, Science, 1996, vol. 271, P.933-937.] и кластерных наноструктур [Gubin S. P., Kolesov V.V., Soldatov E.S., Trifonov A.S., Yakovenko S.A., Khanin V.V. and Khomutov G.B., Tunneling device and method of producing a tunneling device, PCT International Patent WO 97/36333, Application PCT/RU97/00082, 02 October 1997].

Из вышеизложенного вытекает необходимость создания новых материалов, содержащих упорядоченные системы полупроводниковых, проводящих, в частности металлических и магнитных наночастиц, способов контроля формы, размеров, строения, состава и ориентации таких наночастиц, создания стабильных двумерных и линейных одномерных систем наночастиц, а также соответствующих моно- и мультислойных систем, что и является задачей предлагаемого изобретения.

Заявляемый в настоящем изобретении способ обеспечивает решение ряда технологических проблем получения анизотропных и ориентированных наночастиц и наноструктур.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности эффективного управления формой и ориентацией синтезируемых частиц а также получения протяженных линейных наноструктур.

Раскрытие изобретения Заявляемый способ управления формой синтезируемых частиц и получения материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и линейные протяженные наноструктуры, основан на проведенных исследованиях физико-химических процессов формирования наночастиц и наноструктур под действием внешних магнитных и электрических полей. В настоящем способе реакции нуклеации и роста частиц, процессы их ориентации, формирования упорядоченных ансамблей частиц и линейных протяженных наноструктур проводятся под действием внешних электрических или электрических и магнитных полей. Управление процессами роста и ориентации частиц осуществляется с помощью внешних электрических и магнитных полей и варьирования состояния реакционной среды.

В соответствии с первым вариантом изобретения предложен способ управления формой синтезируемых частиц и изготовления материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры, включающий приготовление реакционной смеси и проведение процессов синтеза частиц и формирования наноструктур, отличающийся тем, что процессы синтеза частиц и формирования наноструктур проводятся под действием внешнего электрического поля.

Процессы синтеза частиц и формирования наноструктур проводятся в среде, в которой значения диэлектрической проницаемости ниже, чем в материале синтезируемых частиц и наноструктур.

В предложенном способе дополнительно проводят стадии, выбранные из группы, включающей в себя: стадию стабилизации частиц, стадию изменения концентрации частиц, стадию экстрагирования частиц, стадию включения частиц в полимеризуемую композицию, стадию ориентации частиц, стадию формирования ориентированных упорядоченных ансамблей частиц и/или протяженных наноструктур, стадию полимеризации и отверждения материала, при этом дополнительные стадии, а также стадию приготовления реакционной смеси, включающую формирование системы исходных реагентов и соединений, регулирующих процессы синтеза и стабилизации частиц, проводят под действием внешних однородных или неоднородных электрических полей, а напряженности, направления указанных внешних полей, продолжительность и временные интервалы их действия регулируют для управления формой и ориентацией синтезируемых частиц, при этом область, в которой протекают процессы синтеза частиц и/или наноструктур, может включать жидкую, конденсированную и/или газовую фазы и границу их раздела, или твердотельную поверхность, или полости пористого материала.

В предложенном способе могут быть использованы неоднородные и переменные электрические поля, например импульсные.

Процессы синтеза частиц и/или наноструктур могут проводиться в несколько этапов, различающихся продолжительностью, температурным режимом, а также величинами напряженности указанных внешних полей. В частности процессы синтеза протяженных наноструктур проводятся в два этапа, при этом на первом этапе формируются дискретные наночастицы, а на втором этапе путем увеличения температуры под действием указанных внешних полей синтезируются ориентированные протяженные наноструктуры.

Если область, в которой протекают процессы синтеза частиц и/или наноструктур и формирования содержащего их материала, находится в газовой атмосфере, то обеспечивают необходимый состав реакционной смеси в ходе синтеза частиц и/или наноструктур и формирования содержащего их материала.

Предлагаемый способ может включать дополнительные стадии, заключающиеся в последовательном формировании одного слоя материала на другом слое, при этом в материале могут быть сформированы слои, не содержащие частиц и/или наноструктур и получаемые известными способами, в результате чего получается многослойная структура, при этом состав, форма и ориентация синтезированных частиц и/или наноструктур в разных слоях может быть одинаковой или различной.

Исходные реагенты первоначально наносятся на поверхность жидкой фазы и формируются в виде смешанного ленгмюровского монослоя поверхностно-активных веществ на границе раздела жидкость-газовая фаза, при этом синтез частиц и/или наноструктур осуществляется в ленгмюровском монослое на границе раздела жидкость-газовая фаза при определенной степени сжатия монослоя.

При этом изменение степени сжатия и перенос монослоя, содержащего синтезированные частицы и/или наноструктуры, на твердотельную подложку осуществляется под действием внешних электрических полей.

Количество монослоев, нанесенных на твердотельную подложку и содержащих синтезированные частицы и/или наноструктуры, равно N, а общее суммарное число монослоев поверхностно-активного вещества, нанесенных на подложку, равно К, при этом K N 1, а состав и ориентация синтезированных частиц и/или наноструктур в различных слоях могут быть различными.

Если исходные реагенты первоначально наносятся на поверхность жидкой фазы, то формируется смешанный ленгмюровский монослой поверхностно-активных веществ на границе раздела жидкость-газовая фаза, затем производят погружение твердотельной подложки в жидкую фазу с находящимся на поверхности жидкой фазы ленгмюровским монослоем реакционной смеси, и осуществляют перенос мономолекулярного слоя реакционной смеси на твердотельную подложку, при этом, повторяя процедуру переноса ленгмюровского монослоя, получают в итоге количество молекулярных монослоев реакционной смеси, нанесенных на твердотельную подложку, равное F, а общее суммарное число монослоев поверхностно-активных веществ, нанесенных на подложку, равное Z, при этом Z F 1, при этом синтез частиц и/или наноструктур и формирование ориентированных упорядоченных ансамблей частиц производится в реакционной области, представляющей собой упорядоченную слоистую структуру на поверхности твердотельной подложки.

Если исходные реагенты первоначально наносятся на поверхность жидкой фазы и формируются в виде смешанного ленгмюровского монослоя поверхностно-активных веществ на границе раздела жидкость-газовая фаза, то при этом синтез частиц производится непосредственно в ленгмюровском монослое на границе раздела жидкость-газовая фаза, затем производят перенос монослоя, содержащего компоненты реакционной смеси и синтезированные частицы, на твердотельную подложку, при этом количество монослоев, нанесенных на подложку и содержащих частицы, равно P, а общее суммарное число монослоев поверхностно-активного вещества, нанесенных на подложку, равно Q, при этом Q P 1, затем в полученной моно- или мультислойной структуре с помощью варьирования температуры инициируется процесс роста частиц под действием внешних полей.

При этом жидкая фаза содержит компоненты, взаимодействующие с ленгмюровским монослоем.

Жидкая фаза может содержать ионы металлов, комплексы ионов металлов и/или металлсодержащие соединения, взаимодействующие с ленгмюровским монослоем.

Исходные реагенты могут наносятся на поверхность водной субфазы в виде смеси с поверхностно-активным веществом в летучем неполярном растворителе.

Если в систему исходных реагентов вводят исходное металлсодержащее соединение общей формулы M_m(L)_k, где М - металл или несколько разных металлов, L - лиганд или несколько разных лигандов, то получаемые частицы и протяженные наноструктуры являются металлсодержащими или металлическими.

Формирование металлсодержащих и/или металлических частиц и наноструктур может производиться путем разложения исходных металлсодержащих соединений общей формулы M_m(L)_k под влиянием внешних физических, химических воздействий и/или их комбинаций.

Формирование металлсодержащих и/или металлических частиц и наноструктур может производиться путем термического разложения исходных металлических или металлсодержащих соединений общей формулы M_m(L)_k; путем разложения исходных металлсодержащих соединений общей формулы M_m(L)_k под действием излучений различной природы, например под действием электромагнитного излучения или под действием облучения ультрафиолетовым светом.

В качестве исходного металлсодержащего соединения M_m(L)_k используется карбонильное соединение металла, в частности пентакарбонил железа Fe(CO)₅.

Реакционная смесь дополнительно может содержать полимеризуемые соединения, а также добавки, определяющие свойства получаемого материала.

После завершения синтеза частиц и/или протяженных наноструктур и их ориентации проводится полимеризация и/или отверждение материала.

Область, в которой проводится полимеризация и/или отверждение материала, может подвергаться действию электрических полей.

На материал, содержащий синтезированные частицы и наноструктуры, дополнительно могут наносить защитный слой.

При использовании для изготовления материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры, твердотельной подложки, на ней предварительно формируют слой другого материала, например слой магнитомягкого материала.

Согласно второму варианту изобретения предложен способ управления формой синтезируемых частиц и изготовления материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры, включающий приготов