Пленки алмаза и кубического нитрида бора
Исследование возможности сравнительно дешевого нанесения пленок алмаза и кубического нитрида бора на изделия на различные поверхности при относительно низких температурах и давлениях. Описание техники получения пленок алмаза и кубического нитрида бора.
Рубрика | Химия |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 19.05.2018 |
Размер файла | 66,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ПЛЕНКИ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
Н.Н. Сирота
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Возможность сравнительно дешевого нанесения пленок алмаза и кубического нитрида бора (КНБ) на изделия на различные поверхности при относительно низких температурах и давлениях представляет огромный научный и практический интерес.
Пленочные покрытия алмазом и кубическим нитридом бора обладают многими уникальными свойствами.
Для получения пленок алмаза и КНБ могут быть использованы методы нанесения пленок, при которых возможно достигнуть наибольших и контролируемых термодинамических пересыщений. В настоящее время в этом отношении наиболее перспективными являются электронный, плазменный и лазерный способы.
Наряду с выбором способа нанесения пленок, существенными вопросами являются выбор и подготовка наносимой подложки и поверхности, на которую наносится пленка, контроль плотности струи паровой фазы, ее температуры и температуры подложки.
В работах 1946-2000 гг. [1-8] была показана принципиальная возможность получения метастабильных фаз, в том числе алмаза и кубического нитрида бора в виде тонких пленок и дисперсных образований при сравнительно низких температурах, близких или ниже комнатных, и при пониженных давлениях.
Нанесение пленок метастабильных фаз в значительной мере базируется на теории образования метастабильных фаз [3,9] в условиях значительного отклонения от состояния равновесия по температуре и давлению (термодинамического пересыщения).
Алмаз, так же, как КНБ, является метастабильными фазами по отношению к графитоподобным модификациям углерода и нитрида бора.
Отметим некоторые свойства алмаза и КНБ, пленки которых близки к свойствам массивных материалов. Согласно справочным данным для алмаза для комнатной температуры а = 3,56679Е, координационное число Z = 8, плотность = 3,514 г/см3, мольный объем V = 1,91 см3/моль, показатель преломления n = 2,41, ширина запрещенной зоны E5 eV.
Существует значительное сходство этих веществ. Кубический нитрид бора обладает алмазоподобной структурой, с незначительно отличающимися параметрами от кристаллической решетки алмаза. Физические свойства КНБ - механические, полупроводниковые, оптические, также близки к свойствам алмаза, однако, несколько уступают ему.
По-видимому, существует известная взаимная растворимость данных веществ друг в друге.
Фазовая p-T диаграмма нитрида бора [10]:
1, 2 - линии - - превращения, рассчитанные в
работе [10] (1) и в работе [11] (2); линия
превращения графит - алмаз [12].
Точками отмечены экспериментальные данные
- - превращения работы [13] (а) и работы [12] (б)
КНБ имеет меньшее начение энергии атомизации, поверхностной энергии, ширины запрещенной зоны.
На рисунке 1 приведены фазовые p-T диаграммы углерода и нитрида бора. Видно, что существует их большое сходство.
Область высокотемпературного получения образцов кубического нитрида бора алмазоподобной структуры (сфалерита) лежит при несколько меньших значениях температуры и давления, чем получения алмаза. При значительно больших температурах и давлениях, необходимых для получения алмаза, могут быть получены образцы углерода и нитрида бора со структурой вюрцита.
Подчеркнем, что в отличие от получения алмазоподобной структуры при высоких давлениях и температурах, рассматриваемое нами получение пленочной алмазной структуры осуществляется при больших термодинамических пересыщениях (переохлаждениях). При еще более высоких пересыщениях могут быть получены структуры вюрцита. В связи с тем, что переход структуры алмаза и сфалерита в равновесные графитоподобные структуры сопряжен со значительным изменением объема и, соответственно, большим энергетичеким порогом, пленки метастабильных фаз алмаза и КНБ при нормальных условиях и температурах до 500 К могут находиться сколь угодно долго, не претерпевая превращения.
Теоретические предпосылки получения пленок метастабильных фаз, алмаза и КНБ при пониженных температурах и давлениях
При отклонении от равновесия (путем изменение температуры или давления) новая фаза может образовываться при наличии термодинамической возможности, то есть если свободная энергия новой фазы B ниже свободной энергии исходной фазы А
GB-GA<0.
Если при достаточном пересыщении существуют термодинамические возможности образования стабильной и ряда метастабильных фаз, то образуется главным образом та из всех возможных фаз, у которой скорость формирования трехмерных зародышей и скорость их роста оказываются наибольшими в этих условиях. Скорость образования новой фазы определяется скоростью W3 образования трехмерных зародышей, скоростью их роста, зависящей от скорости образования двумерных зародышей W2 и от диффузионной подвижности атомов, зависящей от энергии активации U, определяемых выражениями:
,
,
где А3 и А2 - работа образования трехмерных и двумерных зародышей; В2 и Ш3 - предэкспоненциальный множитель, зависящий от плотности потока активированных частиц.
Работа образования трехмерных и двумерных зародышей новой фазы обусловлена поверхностной энергией, упругой деформацией, магнитной и другими составляющими.
Ограничимся ролью поверхностной энергии , полагая, что для данного вещества межфазная поверхностная энергия АB прямо пропорциональна энергии фазового перехода HAB. Тогда изменение работы образования трехмерных и двумерных зародышей новой фазы зависит от относительного переохлаждения Tk-T отнесенного к равновесной температуре Tk:
, ,
где 3, 2 определяются отношением AB/HAB. Полагая при этом, что критическая величина (критический радиус) трехмерных зародышей новой фазы , а величина термодинамического пересыщения
.
Работа образования трехмерных зародышей на подложке, как правило, существенно меньше работы образования этих зародышей в объёме. При наличии химического и структурного сходства зародышей новой фазы с подложкой величина работы образования трехмерных зародышей может варьироваться от работы А3 образования этих зародышей в объёме до величины работы А2 образования двумерных зародышей на подложке. Это важное обстоятельство отвечает принципу П.Д. Данкова [14] - размерного и ориентационного соответствия атомных слоёв кристалла новой фазы и подложки. Количественно это соответствие было рассмотрено Г.М. Близнаковым [15,16]. Существование размерного и ориентационного соответствия и химического сходства подложки с одной из метастабильных фаз, образование которой термодинамически возможно, в значительной мере определяет наибольшую вероятность её первоочередного образования.
Энергия атомизации стабильной фазы по абсолютной величине больше, чем метастабильной. Например, энергия атомизации графита больше, чем энергия атомизации алмаза, то есть и, соответственно, 3,гр<3,ал и 2,гр<2,ал. В таком случае:
и
Из последних выражений видно, что при переохлаждении скорость образования трехмерных зародышей стабильной фазы будет больше, чем метастабильной, при этом стабильной фазы будет меньше, чем метастабильной. При переохлаждении скорость образования трехмерных зародышей метастабильной фазы будет больше, чем стабильной, и метастабильной фазы будет меньше, чем стабильной. Аналогично, при переохлаждении скорость образования двумерных зародышей метастабильной фазы будет больше, чем стабильной. При большом переохлаждении , в первую очередь возникают и растут кристаллы метастабильной фазы.
При образовании пленок алмаза и кубического нитрида бора из паровой фазы на подложке, обладающей структурным и химическим сходством с возникающей метастабильной фазой, необходимо достаточное охлаждение.
Для практического осуществления получения алмазных пленок и пленок КНБ из паровой фазы подложка должна быть надлежащим образом охлаждена и обладать высокой теплопроводностью. Она должна поглощать теплоту кристаллизации, с условием, что на поверхности кристаллизующейся пленки не снижается термодинамическое пересыщение на протяжении всего процесса кристаллизации.
В качестве подложки для получения пленок алмаза в ряде случаев целесообразно использовать пленки из кубического нитрида бора, получение которого, как правило, легче осуществимо.
Техника получения пленок алмаза и кубического нитрида бора
Установка для получения пленок алмаза и КНБ состоит из плазмотрона с продувкой азотом или аргоном, вакуумной камерой, охлаждаемого парами азота медного диска, на котором укреплены подложки с маской.
В струю азота или аргона, поступающую в плазмотрон под давлением, вводится порошок сажи углерода или кубического нитрида бора. Поток пара, испаряющийся в плазме частиц, попадает на охлажденный диск с нанесенными на него подложками. Используются в основном подложки из тонких пластинок кварца. Температура диска устанавливается охлаждающим устройством. Она несколько выше или близка к температуре жидкого азота. Температура контролируется с помощью термопары. В камере поддерживается вакуум порядка 101-103 Па. Полученные пленки контролируются спектральным анализом и измеряется их толщина.
Практическая реализация принципиальных положений, изложенных в статье, позволяет получать пленки алмаза и кубического нитрида бора толщины широкого диапазона и кристаллов относительно больших размеров при постоянстве режима и соблюдения надлежащего переохлаждения (термодинамического пересыщения).
Настоящая работа была поддержана Фондом фундаментальных исследований НАН Беларусь в 1999 году.
алмаз пленка бор нитрид
Библиографический список
1. Сирота Н.Н. //Техническая физика 1946. №9. С. 1136-1148.
2. Сирота Н.Н. // Доклады АН СССР. 1943. Т. 39. №8. С. 355-358.
3. Сирота Н.Н. //В кн. Кристаллизация и фазовые переходы. Минск: АН БССР. 1962. С. 11-58.
4. Sirota N.N. // Crystal Res. & Technol. 1982. V. 17. №6. p. 661-691.
5. Sirota N.N. // Crystal Res. & Technol. 1987. V. 22. № 11. p. 1343-1381.
6. Сирота Н.Н. // Весцi АН Беларусi. Серыя фiз.-мат. навук. 1996. №4. С. 82-90.
7. Сирота Н.Н. // Матер. эл. техн. 1999. №2. С. 13-16.
8. Сирота Н.Н.. Теория метастабильных состояний и образование метастабильной фазы алмаза. //Доклад на отделении химии АН Болгарии 22 ноября 1969 г..
9. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М., 1972. 456 с.
10. Сирота Н.Н., Кофман Н.А. //Доклады АН СССР. 1979. Т. 249. № 6. С. 1346-1348.
11. Corrigan F.R., Bundy F.P. // J. Chem. Phys. 1975. V. 63. №9. p. 3812.
12. Bundy F.P., Wentorff R.H. // J. Chem. Phys. 1963. V. 3B. №5. p. 1144.
13. Sirota N.N., Masurenko A.M. Brit. Patent Specification, №1317716, May, 1973.
14. Данков П.Д. // ИСФХА. 1945. Т. 16. № 2.
15. Близнаков Г.М. // Годишник на Соф. Унив. ф.-м. Болгария. 1956. № 2. С. 66.
16. Близнаков Г.М. // Кристаллография. 1959. Т. 4. №2.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Прямое азотирование кремния. Процессы осаждения из газовой фазы. Плазмохимическое осаждение и реактивное распыление. Структура тонких пленок нитрида кремния. Влияние поверхности подложки на состав, структуру и морфологию осаждаемых слоев нитрида кремния.
курсовая работа [985,1 K], добавлен 03.12.2014Химические методы получения тонких пленок. Способы получения покрытий на основе нитрида алюминия. Преимущества газофазной металлургии. Сущность электрохимического осаждения, процесса газового анодирования. Физикохимия получения пленочных покрытий.
курсовая работа [5,4 M], добавлен 22.06.2011Применение тонких полимерных пленок в различных областях техники, изучение их структуры. Исследование термической деструкции методом ИК-спектроскопии. Получение полисилоксановых пленок на поверхности металла методом полимеризацией под действием разряда.
статья [547,4 K], добавлен 22.02.2010Особенности развития мировой и отечественной атомной энергетики. Метод химобменной ректификации комплекса BF3 с диметиловым и диэтиловым эфиром. Способы получения элементарного бора. Методика проведения эксперимента по получению тетрафторбората калия.
курсовая работа [303,4 K], добавлен 12.12.2011Исследование влияния параметров метода химического осаждения на структуру, толщину, морфологию поверхности и эксплуатационные характеристики тонких пленок кобальта из металлоорганического соединения с заданными магнитными и электрическими свойствами.
дипломная работа [5,8 M], добавлен 09.07.2014Закономерности деформации профилированных пленок. Способы получения фибриллированных волокон и нитей. Дифрактограммы малоуглового рассеяния поляризованного света составными частями пленки. Зависимость продольной вязкости полимера от условий деформации.
реферат [422,2 K], добавлен 18.03.2010Изучение свойств поверхности материала, поверхностного натяжения. Определение величины поверхностной энергии. Понятие и причина когезии, адгезии, абсорбции, адсорбции. Рассмотрение процесса смачивания. Описание модели получения пленки полистирола.
презентация [3,3 M], добавлен 28.12.2015Понятие степени окисления элементов в неорганической химии. Получение пленок SiO2 методом термического окисления. Анализ влияния технологических параметров на процесс окисления кремния. Факторы, влияющие на скорость получения и качество пленок SiO2.
реферат [147,2 K], добавлен 03.12.2014Приготовление растворов полимеров: процесс растворения полимеров; фильтрование и обезвоздушивание растворов. Стадии производства пленок раствора полимера. Общие требования к пластификаторам. Подготовка раствора к формованию. Образование жидкой пленки.
курсовая работа [383,2 K], добавлен 04.01.2010Механизм электрохимического окрашивания анодных оксидных пленок на алюминии и его сплавах по методу катодного внедрения. Составы электролитов на основе серной, фосфорной и щавелевой кислот и режимы электролиза для нанесения анодных оксидных пленок.
автореферат [1,4 M], добавлен 14.10.2009Исследование свойств аммиака как нитрида водорода, бесцветного газа с резким запахом и изучение физико-химических основ его синтеза. Определение активности катализатора синтеза аммиака, расчет материального и теплового баланса цикла синтеза аммиака.
курсовая работа [267,4 K], добавлен 27.07.2011Материалы, используемые для производства термоусадочных пленок. Методики получения полимерных композиций. Методы исследования технологических и эксплуатационных свойств полимерных композиций. Рентгенографический анализ и измерения вязкости расплава.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 20.07.2015Переход аллотропной модификации. Электрические, магнитные, оптические, физико-механические, термические свойства алмаза. Изучение структуры графита, его антифрикционные и химические свойства. Образование, применение озона и кислорода. Аллотропия углерода.
реферат [26,0 K], добавлен 17.12.2014Общая характеристика р-элементов III группы, их основные физические и химические свойства. Описание самых распространенных элементов: бора, алюминия, подгруппы галлия. Их биологическая роль, применение и распространенность. Причины парникового эффекта.
дипломная работа [221,3 K], добавлен 08.08.2015Многообразие соединений углерода, их распространение в природе и применение. Аллотропные модификации. Физические свойства и строение атома свободного углерода. Химические свойства углерода. Карбонаты и гидрокарбонаты. Структура алмаза и графита.
реферат [209,8 K], добавлен 23.03.2009Кристаллическая структура берлинской лазури. Исследование стабильности электрохромного перехода пленок чистой лазури. Методика приготовления раствора, используемые реактивы. Морфология полученных пленок берлинской лазури и композитов на ее основе.
курсовая работа [3,8 M], добавлен 25.04.2015Химический элемент Бор. История открытий и ошибок. Электронное строение элемента № 84, атом, ядро, атомный реактор. Соединения бора с водородом. Интерес военных ведомств к химии бороводородов и их производным. Борные удобрения в сельском хозяйстве.
реферат [25,9 K], добавлен 23.01.2010Характеристика и групповое значение р-элементов. Степени их окисления. Состояние атомов халькогенов. Свойства галогенов. Подгруппа алюминия, азота и углерода. Основные минеральные формы бора. Распространенность в земной коре различных видов минералов.
презентация [420,7 K], добавлен 22.04.2016Введение в теорию квантовых эффектов - представления о волнах материи. Два взгляда на фотон и частицу. Суть идеи Де-Бройля. Импульс и длина волны. Стоячие волны материи. Частица в ящике и на круговой орбите. Уровни трёхмерного кубического "ящика".
реферат [44,8 K], добавлен 31.01.2009Физические свойства элементов главной подгруппы III группы. Общая характеристика алюминия, бора. Природные неорганические соединения углерода. Химические свойства кремния. Взаимодействие углерода с металлами, неметаллами и водой. Свойства оксидов.
презентация [9,4 M], добавлен 09.04.2017