способ выращивания нитевидных металлических кристаллов

Формула изобретения

Способ выращивания нитевидных металлических кристаллов путем их осаждения из электролита с использованием электропроводной подложки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью, отличающийся тем, что сначала на подложке электроосаждением выращивают кристаллы с пентагональной симметрией, после достижения выращенными кристаллами заданной длины подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, пентагональный кристалл в форме трубки или стержня для использования его в качестве затравочного кристалла, к одному из его торцов приваривают металлическую проволоку, затем отрывают этот кристалл от подложки и, используя приваренную к нему проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит, после чего ведут процесс выращивания нитевидного кристалла на этот торец, вынимая затравочный кристалл из электролита со скоростью роста нитевидного кристалла, при этом затравочный кристалл используют в качестве катода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области гальваностегии и может быть применено для выращивания нитевидных кристаллов путем электроосаждения металлов из электролита.

Известен способ выращивания монокристаллов (Кремпл П., Валльнефер В., Криспел Ф. и Таннер Г., Патент РФ №2194100, от 28.11.2000 г., МКИ 7 С30В 7/10, 29/14). По этому способу кристаллы выращивают из раствора с применением затравочных кристаллов. Используют затравочный кристалл, который имеет, по меньшей мере, два расположенных под углом друг к другу стержневидных или пластинчатых участка, охватывающих основную область роста кристаллов и в выращенном монокристалле расположенных эксцентрически. Это позволяет получать качественные кристаллы больших размеров.

Однако известный способ не обеспечивает возможности получать нитевидные микрокристаллы с пятерной симметрией, обладающие развитой свободной поверхностью и высокой адсорбционной способностью.

Известно, что при электроосаждении меди из раствора электролита можно получать кристаллы, имеющие пятерную симметрию (Викарчук А.А., Воленко А.П. Пентагональные кристаллы меди:, многообразие форм роста и особенности внутреннего строения / Физика твердого тела, 2005, Том 47, вып.2, С.339...344). Способ получения таких кристаллов принят за прототип. По прототипу пентагональные кристаллы получают электроосаждением из сернокислого электролита меднения на подложку из электропроводного материала с низкой теплопроводностью. Эти кристаллы, образуясь из некристаллических зародышей, могут принимать форму трубок, ежей, конусов, многогранников и т.п. с развитой свободной поверхностью. Это резко увеличивает адсорбционную способность материала. Строение пентагональных кристаллов препятствует трансляционному скольжению дислокаций, что повышает механические свойства материала.

Однако пентагональные кристаллы, получаемые электроосаждением, имеют размеры от 1 до 300 мкм и образуются на подложке в виде покрытия. Малые размеры кристаллов и их адгезионная связь с поверхностью подложки затрудняют использование их уникальных свойств, которые могли бы быть в полной мере использованы, например, в конструкциях фильтров, композиционных материалов и т.п., если бы можно было получить пентагональные кристаллы в виде отдельных нитей, стержней или трубок.

Технический результат предлагаемого способа заключается в обеспечении возможности получения нитевидных пентагональных кристаллов и использования их высокой прочности и адсорбционной способности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что нитевидные кристаллы выращивают путем их осаждения из электролита с использованием электропроводной подложки, выполненной из материала с низкой теплопроводностью. В отличие от прототипа сначала на подложке электроосаждением выращивают кристаллы с пентагональной симметрией. После достижения выращенными кристаллами заданной длины подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, пентагональный кристалл в форме трубки или стержня для использования его в качестве затравочного кристалла. К одному из торцов выбранного кристалла приваривают металлическую проволоку. Затем отрывают кристалл от подложки. Используя приваренную проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит, после чего ведут процесс выращивания нитевидного кристалла на этом торце, вынимая затравочный кристалл из электролита, со скоростью роста нитевидного кристалла. При этом затравочный кристалл используют в качестве катода.

Способ иллюстрируется чертежом, где на фиг.1 показан микрокристалл меди в виде трубки с пятерной симметрией, а на фиг.2 - микрокристаллы серебра, которые могут служить затравочными кристаллами для выращивания нитевидного кристалла.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Электропроводную подложку, выполненную из материала с низкой теплопроводностью, помещают в электролит, содержащий ионы осаждаемого металла. В этот же электролит помещают электрод, выполненный из осаждаемого металла. Электрод используют в качестве анода, а подложку - в качестве катода. Пропуская через электрод, электролит и подложку электрический ток, производят процесс осаждения металла на подложку. Параметры и условия проведения процесса электроосаждения подбирают таким образом, чтобы на подложке образовывались кристаллы с пятерной симметрией. После окончания процесса электроосаждения и достижения выращенными кристаллами заданной длины и формы трубки или стержня подложку вынимают из электролита и выбирают из числа кристаллов, образовавшихся на подложке, кристалл в виде трубки или стержня с пентагональным строением для использования его в качестве затравочного кристалла. К одному из торцов выбранного кристалла приваривают металлическую проволоку. Затем отрывают этот кристалл от подложки и, используя приваренную к нему проволоку в качестве держателя, опускают свободный торец кристалла в электролит. Через электрод, электролит и затравочный кристалл пропускают электрический ток и ведут процесс выращивания нитевидного кристалла, вынимая затравочный кристалл из электролита со скоростью его роста. Затравочный кристалл при этом используют в качестве катода.

В результате получают пентагональный кристалл в виде сплошной или полой нити любой требуемой длины. Это позволяет использовать пентагональные кристаллы в технических устройствах, используя их высокие механические и адгезионные свойства, и создает предпосылки для промышленного производства пентагональных нитевидных кристаллов.

Для осуществления предлагаемого способа могут быть использованы известные в технике средства и материалы. Электроосаждение при выращивании как затравочного, так и нитевидного кристаллов может вестись в известных гальванических ваннах, применяемых для осуществления известных способов. В качестве материала подложки может служить, например, хромоникелевая сталь, графит или нитрид титана. Поскольку пентагональные кристаллы имеют микро- или наноразмеры, выбор затравочного кристалла и приварку к его торцу проволоки можно производить с помощью оптического микроскопа, обеспечивающего увеличение в 300...500 раз. Приваривать к торцу затравочного кристалла можно выпускаемую промышленностью медную проволоку диаметром 0,05 мм. Конец ее можно заточить путем химического травления. Приварить проволоку к торцу затравочного кристалла можно разрядом конденсатора с помощью маломощной машины для конденсаторной сварки, применяемой в сварочной технике. Опускание торца затравочного кристалла в электролит и подъем его в процессе роста нитевидного кристалла можно осуществить микрометрическим винтом с регулируемым электромеханическим приводом. Наличие в пентагональном нитевидном кристалле дисклинации, обуславливающей его пентагональное строение, обеспечивает его рост только в длину.

Примером применения предлагаемого способа может служить выращивание нитевидного кристалла с использованием в качестве затравочного кристалла микротрубки пятиугольного сечения длиной 20 мкм и шириной 1 мкм. Трубку получили на подложке из стали 1Х18Н10Т толщиной 2 мм. В качестве анода применяли пластину из меди M1. Подложку и медную пластину опускали в сернокислый электролит меднения, приготовленный на бидистилляте и содержащий 250 г/л CuSO₄·5H ₂O и 90 г/л H₂SO₄ . Через электрод, электролит и подложку пропускали электрический ток плотностью 0,05 А/дм². На подложке получили слой осажденной меди, состоящий из пентагональных кристаллов длиной до 20 мкм. Часть их была получена в виде полых трубок пятиугольного сечения (фиг.1).

К торцу одной из этих трубок разрядом конденсатора была приварена медная проволока диаметром 0,05 мм и трубка была отделена от подложки. Затем, используя приваренную проволоку, как держатель, свободный торец трубки вручную погрузили в электролит и начали процесс электроосаждения атомов меди на его поверхность, используя затравочный кристалл - трубку в качестве катода. Довести процесс выращивания нитевидного кристалла до макроразмеров не удалось, поскольку вручную регулировать скорость перемещения затравочного кристалла практически невозможно, однако этот эксперимент показал принципиальную возможность осуществления предложенного способа.

По предлагаемому способу можно выращивать нитевидные кристаллы из других металлов. Например, на подложке из хромоникелевой стали с покрытием из нитрида титана, используя в качестве анода пластину из серебра и при плотности тока 2 мА/см ², получали пентагональные кристаллы серебра в виде стержней длиной до 20...30 мкм и 2...3 мкм в поперечном сечении (фиг.2). Такие кристаллы могут быть использованы в качестве затравочных для выращивания нитевидных кристаллов серебра. Имеются теоретические предпосылки для получения пентагональных кристаллов в виде стержней и трубок из никеля.

Таким образом, предлагаемый способ выращивания нитевидных кристаллов, имеющих пятерную симметрию, обеспечивает технический эффект, заключающийся в возможности получения нитевидных пентагональных кристаллов и использования их высокой прочности и адсорбционной способности. Способ может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ обладает промышленной применимостью.