ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОРОШКА ПРОШЕДШЕГО ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ПЛАЗМУ.
реклама
УДК 621.365.5 ФОРМИРОВАНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОРОШКА ПРОШЕДШЕГО ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ПЛАЗМУ. Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Антонов И.Н., Пименов А.Н. В статье рассмотрена технология нанесения мелких частиц титаната бария BaTiO3 в газоразрядном потоке плазмы на подложку с целью формирования тонкопленочного покрытия. газоразрядная плазма, наноструктурированный порошок, тонкие пленки FORMATION OF THIN COATING OF LAST NANOSTRUCTURED POWDERS OF GASDISCHARGE PLASMA. Saratov State Technical University. By. Yuri Gagarin Antonov I.N., Pimenov A.N. The article describes the technology of application of fine particles of barium titanate BaTiO3 in gas-discharge plasma flow onto the substrate to form a thin coating. the discharge plasma, nano-powder, thin coatings Производство современных полупроводниковых приборов включает в себя металлизацию гибридных интегральных схем, то есть нанесение чередующихся слоев различных металлов на подложку. В результате этого процесса на границе материал покрытие – материал основа формируется адгезионное покрытие, характеризующееся механической связью частиц напыляемого материала на шероховатую поверхность материала основы. Процесс металлизации заключается в осаждении коллоидов на подложку в плазменном потоке. Связь напыляемых частиц с материалом основы происходит за счет тепловой и кинетической энергии, которая определяется температурой и скоростью частиц. Титанат бария является диэлектрическим материалом, обладающим пьезоэлектрическими и сегнетоэлектрическими свойствами и большой диэлектрической проницаемостью. Титанат бария представляет собой бесцветные кристаллы. Нерастворим в воде. Он применяется в конденсаторах электрических, в пьезоэлектрических излучателях и приёмниках звука и УЗ, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и т.д. В производстве керамических конденсаторов и позисторов более 90% керамики составляет титанат бария.[2] Рассмотрим основные явления, а так же условия необходимые для создания технологического процесса. Электролиз – это физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах составных частей растворенных веществ, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.[1] Электролизёры, аппараты для электролиза, состоящие из одной или многих электролитических ячеек. Электролизёр представляет собой сосуд (или систему сосудов), наполненный электролитом с размещенными в нём электродами — катодом и анодом, соединёнными соответственно с отрицательным и положительным полюсами источника постоянного тока.4 Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами , соединенными с полюсами источника электрической энергии. Положительные ионы – катионы – движутся к катоду, отрицательные ионы – анионы – движутся к аноду.[1] Оксид водорода – бинарное неорганическое соединение. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, которые соединены между собой ковалентной связью.[3] Коллоид - вещество, состоящее из мелких частиц, рассеянных в среде другого вещества. Коллоидные растворы в зависимости от компонентов носят различные наименования: золь - это взвесь твердых частиц в жидкости, аэрозоль - твердое или жидкое вещество, взвешенное в газе, эмульсия состоит из смеси двух жидкостей, а пена представляет собой газ, смешанный либо с жидкостью, либо с частицами твердого вещества.[9] Электролиз воды с выделением газообразных водорода и кислорода всегда сопряжен с протеканием термодинамически необратимых процессов. Напряжение разложения, то есть минимальное напряжение, при котором возможен процесс электролиза с выделением водорода и кислорода в виде газовых пузырьков, зависит от состава и температуры электролита и от материала электродов.[4] Под действием постоянного электрического тока молекулы воды разрушаются. Точнее, разрушаются химические связи между атомами водорода и кислорода в молекулах воды. При разложении воды образуются газы водород и кислород. атомы водорода объединяясь попарно, образуют двухатомные молекулы водорода, атомы кислорода, объединяясь попарно, образуют двухатомные молекулы кислорода – то есть в продуктах реакции образуются новые химические связи.[5] В обычных условиях при комнатной температуре молекулы водорода малоактивны. Реакционная способность водорода значительно возрастает при нагревании, под действием света (ультрафиолетовых лучей), электрической искры и электрического разряда, в момент выделения, в присутствии катализаторов, под воздействием элементарных частиц атомного распада. Водород вступает в химические соединения со многими элементами. На воздухе и в чистом кислороде, водород сгорает, образуя воду. При отношении (1) Н 2 : О2 2 : 1 (1) образуется гремучая смесь, взрывающаяся при пропускании электрической искры или поджигании. В присутствии катализаторов (платина, никель, железо и др.) водородокислородная смесь взрывается при незначительном нагревании. Медленное увеличение давления газов до 150 ат не вызывает взрыва. Смеси водорода с кислородом и воздухом взрывоопасны в широком интервале концентраций H 2 .[4] Скорость распространения взрывной волны в гремучей смеси по опытным данным, составляет 2821 м/сек, по расчетным данным достигает 2864 м/сек.[4] Сотрудниками института электросварки им. Е.О. Патона разработали конструкцию электролизно-водного генератора (а.с. №507668), который заставляет агрессивный газ работать в спокойном режиме. Таким газогенератором, снабженным горелкой, паяют, режут, сваривают металл.[6] Установка включает в себя источник питания, газогенератор, барботер (водяной затвор, предотвращающий обратный удар). На рис.1 показан предлагаемый электролизер. Корпус 1 электролизера выполнен из коррозионностойкого материала; крышка 2 из диэлектрика соединена с корпусом болтами 3 через уплотнительную прокладку 4. К корпусу приварено днище 5. В центре крышки 2 через уплотнения 6 закреплен токоподводящий стержень 7 с газоотводящим штуцером 8.В крышке закреплен заливной патрубок 9 с колпачком 10. К нижней части патрубка 9 подсоединен токоподвод 11, идущий к электродным секциям 12. На штуцере 8 и патрубке 9 расположены клеммы 13 и 14 для присоединения электролизера к источнику электропитания. На стержне 7 смонтирована электродная система, состоящая из нескольких секций 12, каждая из которых выполнена из двух основных присоединенных к токоподводам ленточных электродов 15 и 16 и изолированных электродов 17 и 18. На часть электродов навита диэлектрическая нить 19. Сложенные вместе ленточные электроды свернуты в рулон и зафиксированы в таком положении, например, цилиндрической оправкой. Один из основных ленточных электродов, например, 15, присоединяется, например, сваркой к несущему стержню 7, служащему одновременно токоподводом. Второй основной ленточный электрод 16 соединен с токоподводом 11. Ленточные электроды выполнены предпочтительно из никеля или металла, покрытого слоем другого металла, имеющего низкое значение перенапряжения. При отношении высоты рулона к зазору между лентами более тридцати в ленточных электродах выполнены отверстия 20, образующие несколько радиальных циркуляционных каналов. Стержень 7 выполнен полым и имеет отверстие 21 в верхней части для отвода смеси газов из внутреннего объема электролита. Рис.1 Принципиальная конструкция электролизера: 1- корпус; 2 – крышка; 3 – болт; 4 прокладка; 5 – днище; 6 – уплотнение; 7 – токопроводящий стержень; 8 – газоотводящий штуцер; 9 – заливной патрубок; 10 – колпачок; 11 – токоподвод; 12 – электродные секции; 13, 14 – клеммы; 15, 16 - ленточные электроды; 17, 18 – изолированные электроды; 19 диэлектрическая нить; 20, 21 – отверстия; 22 – газовый отражатель. На клеммы 13 и 14 подают выпрямленный электрический ток напряжением не более 2,5 В на пару основных электродов плюс 1,5 – 2 В на каждую пару изолированных электродов. Вода находящаяся в меж электродном зазоре, разлагается на водород и кислород, которые в виде мелких газовых пузырьков поднимаются и задерживаются на газовом отражателе 22, где собираются в крупные пузырьки затем выходят на поверхность электролита. Смесь газов через отверстие 21 в верхней части стержня 7 и через штуцер 8 выходит в газопровод.[7] Современные электролизеры отличаются технологией получения ионизированного газа. Портативный плазменный аппарат «Мультиплаз – 3500» является генератором низкотемпературной плазмы, полученной путем нагрева до температуры ионизации паров рабочей жидкости, заливаемой в горелку перед проведением работ. Аппарат состоит из плазменной горелки и блока питания.[8] Блок питания инверторного типа с принудительным воздушным охлаждением выполняет функции стабилизатора тока. Устойчивая стабилизация тока электрической дуги в плазменной горелке осуществляется в широком диапазоне выходных напряжений подаваемых на горелку.[8] Горелка является основной частью аппарата, генерирующей низкотемпературную плазму. Горелка состоит из следующих частей показанных на рис.2. Рис.2 Принципиальная конструкция горелки. Принцип работы горелки заключается в следующем: горелка заправляется рабочей жидкостью, включается блок питания и подается напряжение на катод для возбуждения дуги. При этом происходит замыкание катода и сопла горелки. В момент отпускания стартовой кнопки между катодом и соплом возникает электрическая дуга. Энергия дуги разогревает сопло, сопло разогревает испаритель, испаритель разогревает рабочую жидкость, превращая ее в пар. Пар под действием внутреннего давления устремляется к выходному отверстию сопла. Выходя из отверстия сопла, пар сжимает электрическую дугу. Сжатие электрической дуги приводит к повышению ее температуры. сжатая электрическая дуга нагревает пар до температуры ионизации. Электрическая дуга горит между катодом и соплом. Переносчиком энергии на обрабатываемый материал является только плазменная струя.[8] «Мультиплаз – 3500» может работать как на постоянном, так и на переменном токах, последнее исключает вероятность осаждения коллоидов на электродах горелки. Титанат бария вносится в горелку вместе с рабочей жидкостью. Коллоиды наносятся на подложку в газоразрядном потоке плазмы формируя адгезионное покрытие. Так как температура струи достаточно высока, то помимо адгезии есть вероятность формирования диффузионного покрытия. На поверхности раздела материал покрытия – материал основы протекают процессы диффузии и химического взаимодействия. В результате чего на поверхности подложки образуется сложное по составу покрытие, состоящее из атомов материалов основы и материала покрытия. Литература 1. Фиошин М.Я., Павлов В.Н., Электролиз в неорганической химии., М., 1976. 2. Фесенко Е.Г., Семейство перовскита и сегнетоэлектричество. М.: Атомиздат, 1972. 3. Henniker J.C., The Depth of the Surface Zone of a Liguid., Riviews of Modern Physics 1949. 4. Якименко Л.М., Модылевская И.Д., Ткачек З.А., Электролиз воды. 264 ст. 5. Разумовский С.Д. Кислород – элементарные формы и свойства. М., 1979. 6. Изобретатель и рационализатор. №7 – 1978. 7. http://patentdb.su/ База патентов СССР. 8. http://www.multiplaz.ru/ Техническое описание и принцип работы «Мультиплаз – 3500». 9. http://nts.sci-lib.com/article0002102.html Научно-Технический словарь.