Исследование особенностей процесса формирования термитного материала Al-CuOx-CNT методом электрофоретического осаждения
Рост популярности метод электрофоретического осаждения в микроэлектронике. Исследование преимуществ метода электрофоретического осаждения. Основные факторы, влияющие на процесс. Экспериментальное исследование процесса осаждения с заданным составом.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.06.2018 |
| Размер файла | 4,6 M |
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/
Содержание
- Введение
- Глава 1. Литературный обзор
- 1.1 Преимущества метода электрофоретического осаждения
- 1.2 Факторы, влияющие на процесс электрофоретического осаждения
- 1.2.1 Размер частиц
- 1.2.2 Проводимость суспензии
- 1.2.3 Стабильность суспензии
- 1.3 Параметры, связанные с процессом
- 1.3.1 Влияние времени осаждения
- 1.3.2 Приложенное напряжение
- 1.3.3 Плотность суспензии
- 1.4 Кинетика электрофоретического осаждения
- 1.5 Термитные смеси
- Глава 2. Технологическая часть
- 2.1 Электрофоретическая ячейка
- 2.2 Подготовка образцов
- 2.3 Подготовка суспензии
- 2.4 Проведение процесса электрофоретического осаждения
- Глава 3. Экспериментальная часть
- 3.1 Экспериментальное исследование процесса осаждения с составом Al-CuOx
- 3.2 Экспериментальное исследование процесса осаждения с составом Al-CuOx-CNT
- 3.3 Выводы
- Заключение
- Списоклитературы
Введение
В настоящее время активно исследуются термитные материалы для различных применений в микро и наноэлектронике. К термитным материалам относятся материалы, способные поддерживать в своем объеме самораспространяющуюся высоко экзотермическую химическую реакцию.
Благодаря сильному интересу исследователей к термитным материалам необычайно быстро появляются новые типы и способы их получения. В последнее время термитные материалы стали получать электрофоретическим способом, который является гибким и простым.
В технологии электрофоретического осаждения термитных материалов, исходным материалом являются наноразмерныепорошки алюминия, никеля, оксида железа и меди, которые считаются доступными, экологически безопасными и относительно недорогими. Сам процесс электрофореза не требует дорогостоящего или уникального оборудования и характеризуется высокой скоростью осаждения по сравнению с технологией получения многослойных структур. На сегодняшний день метод электрофоретического осаждения недостаточно хорошо исследован, поэтому его разработка и исследование являются актуальной задачей.
Наибольший интерес представляют термитные смеси Al-Niи Al-CuOx. Плюс первого соединения в том, что горит оно практически без газового выделения. С другой стороны у Al-CuOxне возникает проблем с инициацией воспламенения. Однако скорость распространения фронта реакции слишком высока. Чтобы ее снизить, можно добавить углеродные нанотрубки (CNT), что и будет продемонстрировано в данной работе. Также углеродные нанотрубки обеспечивают механическую прочность слоя.
электрофоретическое осаждение микроэлектроника
Глава 1. Литературный обзор
В последнее время в микроэлектронике набирает популярность метод электрофоретического осаждения [1]. Простота в проведении процесса, не требующего дорогостоящего оборудования, повышает интерес к данному методу со стороны исследователей со всего мира. Электрофоретическое осаждение известно с 1808 года, когда русский ученый Руэсс заметил движение частиц глины в воде, вызванное электрическим полем. Но первое практическое применение методов произошло в 1933 году, когда в США было запатентовано нанесение частиц тория на платиновый катод в качестве излучателя для применения в электронных трубках. Несмотря на то, что основные явления, связанные с методом электрофоретического осаждения, хорошо известны и были предметом обширных теоретических и экспериментальных исследований, этот процесс получил широкое распространение лишь в 1980-х годах [2]. В научном сообществе существует общее согласие в отношении того, что дальнейшая Научно-исследовательская работа должна быть проведена для выработки полного количественного понимания фундаментальных механизмов электрофореза с целью оптимизации рабочих параметров для более широкого использования метода при обработке материалов.
1.1 Преимущества метода электрофоретического осаждения
Электрофоретическоеосаждение имеет некоторые преимущества по сравнению с другими методами. Так, например, процесс очень разносторонен в виду того, что его можно использовать с подложками разной формы. Осаждение можно сделать на плоской, цилиндрической или любой другой подложке снебольшим изменением в расположении электродов. Кроме того, во время проведения процесса есть возможность изменять такие параметры, как количество циклов осаждения, время осаждения, напряжение. Заряженные частицы нанопорошка, диспергированные или взвешенные в жидкой среде, притягиваются и осаждаются на проводящую подложку противоположного заряда при приложении постоянного тока. Термин "электроосаждение" часто используется несколько двусмысленно для обозначения либо электролитического, либо электрофоретического осаждения, хотя он чаще относится к первому. В таблице 1.1 представлены различия между двумя процессами [3].
Таблица 1.1 - Сравнение методов электроосаждения
|
Свойства |
Электролитическое осаждение |
Электрофоретическое осаждение |
|
|
Движущиеся частицы |
Ионы |
Твердые частицы |
|
|
Требуемая проводимость жидкой среды |
Высокая |
Низкая |
|
|
Раствор |
Вода |
Органика |
Основное различие между процессом электрофоретического осаждения и процессом электролитического осаждения заключается в том, что первый основан на суспензии частиц в растворителе, а второй основан на растворе солей, т.е. ионных видов [4]. Существует два типа электрофоретического осаждения в зависимости от того, на каком электроде происходит осаждение. Когда частицы положительно заряжены, осаждение происходит на катоде, и процесс называется катодным электрофоретическим осаждением. Осаждение отрицательно заряженных частиц на положительный электрод (анод) называется анодным электрофоретическим осаждением. На рисунке 1.1 представлена схематическая иллюстрация двух процессов электрофоретического осаждения.
а б
Рисунок 1.1 - Схематическая иллюстрация процесса электрофоретического осаждения: а) катодный процесс; б) анодный процесс
Что касается технологического применения, то потенциал электрофоретического осаждения как метода обработки материалов все шире признается учеными и технологами. Основной движущей силой электрофоретического осаждения является заряд на частице и электрофоретическая подвижность частиц в растворителе под действием приложенного электрического поля [5]. Единственный недостаток метода электрофоретического осаждения по сравнению с другими коллоидными процессами - невозможность использования воды в качестве растворителя, так как она плохо влияет на процесс осаждения. Однако многообразие растворителей делает данный недостаток несущественным.
Таким образом, метод электрофоретического осаждения является наиболее удобным, простым в исполнении и относительно недорогим по сравнению с другими методами электроосаждения такими, как например, электролитическое осаждение.
1.2 Факторы, влияющие на процесс электрофоретического осаждения
1.2.1 Размер частиц
Хотя не существует общего эмпирического правила для определения размеров частиц, пригодных для электрофоретического осаждения, хорошее осаждение для различных систем, как правило, происходит в диапазоне 1-20 мкм [3]. Но это вовсе не означает, что осаждение частиц за пределами этого диапазона размеров невозможно. Важно, чтобы частицы оставались полностью дисперсными и стабильными для однородного и гладкого осаждения. Для более крупных частиц основная проблема заключается в том, что они, как правило, оседают под действием силы тяжести. В идеале подвижность частиц вследствие электрофореза должна быть выше, чем при гравитации. Трудно получить равномерное осаждение из осадочной суспензии крупных частиц. Электрофоретическое осаждение из осадочной суспензии приведет к градиенту осаждения, т.е. к более тонкому и толстому осаждению в нижней части при вертикальном размещении электрода осаждения. Кроме того, для электрофоретического осаждения с более крупными частицами необходимо либо получить очень сильный поверхностный заряд, либо увеличить площадь электрического двойного слоя. Было установлено [5], что размер частиц оказывает заметное влияние на контроль растрескивания осадка во время сушки. Результаты РЭМ исследования процесса осаждения YBa2Cu3O7 на серебряный электрод приведены на рисунке 1.2.
а б
Рисунок 1.2 - РЭМ изображениясостава YBa2Cu3O7, осажденного на серебряный электрод из его суспензии в ацетоне при напряжении 10 Вв течение 180 секунд. Пленка а: средний размер частиц = 3 мкм; пленка б: средний размер частиц = 0,06 мкм [5]
Трещины в пленках, осажденных из суспензии, состоящей из относительно мелких частиц (0,06 мкм), были значительно меньше, чем в пленках, осажденных из суспензии, содержащей более крупные частицы (3 мкм). Следовательно, уменьшение размера частиц улучшило морфологию сверхпроводящей пленки YBa2Cu3O7, изготовленной методом электрофоретического осаждения, что говорит о том, что это полезный метод минимизации растрескивания отложений.
Таким образом, наиболее подходящий размер частиц для электрофоретического осаждения 1-20 мкм. Чем меньше размер частиц, тем меньше трещин образуется на пленках.
1.2.2 Проводимость суспензии
Итальянские ученые Феррари и Морено [9] после тщательного изучения процесса предположили, что проводимость суспензии является ключевым фактором и должна быть учтена в экспериментах. Было указано, что если суспензия слишком проводящая, движение частиц очень низкое, а если суспензия слишком резистивная, частицы заряжаются электронным способом и стабильность теряется. Они наблюдали увеличение проводимости суспензии как с температурой, так и с концентрацией полиэлектролита (дисперсанта), но не все значения проводимости оказались полезными для электрофоретического осаждения. Установлено существование узкой полосы диапазона проводимости при варьировании дозировки диспергатора и температуры, при которой образуется осадок. Проводимость из этой области не подходит для электрофоретического осаждения, ограничивая возможности формирования. Однако ожидается, что эта подходящая область проводимости будет различной для других систем [10].
Таким образом, запас области проводимости, подходящей для электрофореза, может быть увеличен приложенным током, обеспечивающим успех процесса электрофоретического осаждения.
1.2.3 Стабильность суспензии
Частицы диаметром 1 мкм или менее, как правило, остаются в суспензии в течение длительного времени из-за Броуновского движения. Частицы более 1 мкмоседают быстрее. Стабильность суспензии характеризуется в большей степени чистотой проведения эксперимента и стехиометрией навески. Одна из главных задач в проведении процесса - правильно рассчитать стехиометрию навески для того, чтобы результат эксперимента был положительным. Иногда в суспензии могут образовываться агломераты, что ухудшает ее стабильность. Для разбиения агломератов на более мелкие частицы добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ) [6]. Устойчивость подвески, очевидно, является ее наиболее значительным свойством, но это несколько эмпирическое свойство, не тесно связанное с фундаментальными параметрами.
Таким образом, стабильность суспензии определяется правильно рассчитанной стехиометрией навески и добавлении поверхностно-активных веществ при необходимости.
1.3 Параметры, связанные с процессом
1.3.1 Влияние времени осаждения
Скорость осаждения уменьшается с увеличением времени осаждения при других фиксированных параметрах [11]. Такое наблюдение сделали китайские ученые Чен и Лиу [7]. На рисунке 1.3 приведены типовые характеристики осажденияоксида цинка на медный электрод при различных приложенных потенциалах с увеличением времени осаждения.
- 100 В; - 60 В; - 20 В.
Рисунок 1.3 - Зависимость между толщиной осадка и временем осаждения оксида цинка на медный электрод при различном приложенном потенциале [7]
Очевидно, что осаждение является линейным в течение первоначального периода [12]. Но по мере увеличения времени скорость осаждения уменьшается, и кривая достигает определенного предела. При постоянном напряжении такое явление наблюдается из-за того, что при сохранении постоянной разности потенциалов между электродами электрическое поле, влияющее на электрофорез, уменьшается со временем напыления [13]. Данная зависимость приведена на рисунке 1.4.
1 - 50 В; 2 - 100 В; 3 - 200 В.
Рисунок 1.4 - Плотность тока в зависимости от времени осаждения гидроксиапатита при различных приложенных напряжениях в 50, 100 и 200 В [13]
Таким образом, с увеличением времени осаждения уменьшается скорость осаждения. Происходит это из-за того, что электрическое поле уменьшается со временем напыления при условии, что напряжение постоянно.
1.3.2 Приложенное напряжение
Обычно масса осадка увеличивается с увеличением прикладываемого напряжения. На рисунке 1.5 показана масса осажденного гидроксиапатита на подложке Ti6Al4Vиз суспензии в изопропиловом спирте.
1 - 30 с; 2 - 120 с.
Рисунок 1.5 - График зависимости массы осажденного гидроксиапатита на подложке Ti6Al4Vот приложенного напряжения при времени осаждения в 30 и 120 с [1]
Термитные материалы можно осаждать быстрее, если прикладывать большие напряжения. Однако установлено, что наиболее однородные слои ложатся при умеренных напряжениях в 25-100 вольт. В ситуациях с высоким напряжением движение частиц после осаждения ограничено на поверхности уже осажденного слоя, поскольку более высокий приложенный потенциал оказывает большее давление на поток и движение частиц. Напряжение влияет на скорость осаждения и структуру осадка [11].
Также отмечено [8], что плотность тока пропанольного растворителя при отсутствии какого-либо порошка пропорциональна приложенному напряжению и имеет тенденцию к неустойчивости при увеличении приложенных напряжений. Данная зависимость представлена на рисунке 1.6.
Рисунок 1.6 - Стабильность плотности тока пропанола при различных приложенных напряжениях [8]
Такие данные о стабильности служат хорошим ориентиром для определения параметров осаждения и, следовательно, качества осадка. Считается, что нестабильная плотность тока влияет на качество морфологии осаждения.
Исходя из графика плотности тока на рисунке 1.6, логично предположить, что приложенное напряжение должно быть не менее 100 вольт в случае пропанола. Однако морфология поверхностей осадков оказалась плоской при низких напряжениях и стала более грубой с увеличением приложенного напряжения.
Таким образом, напряжение влияет на скорость осаждения и толщину осадка, а также на равномерность осаждаемого материала.
1.3.3 Плотность суспензии
Количество твердого вещества в суспензии играет важную роль, особенно для многокомпонентного электрофореза. В некоторых случаях, хотя каждый из видов частиц имеет одинаковый признак поверхностного заряда, они могут осаждаться с разной скоростью в зависимости от объемной доли твердых частиц в суспензии. Если объемная доля твердых веществ высока, порошки осаждаются с одинаковой скоростью. Если объемная доля твердых частиц невелика, то они могут осаждаться со скоростью, пропорциональной их индивидуальной электрофоретической подвижности [14].
Таким образом, на плотность суспензии напрямую влияет объемная доля твердых частиц.
1.4 Кинетика электрофоретического осаждения
Для того, чтобы сделать процесс электрофоретического осаждения более успешным в промышленных масштабах, необходимо знание кинетики процесса. Во-первыхдля того, чтобы контролировать процесс осаждения, во-вторых, достигать гибкости в микроструктурных изменениях. Гамакер [2] наблюдал линейную зависимость массы осаждения от количества пройденного заряда и предположил, что количество осаждения пропорционально концентрации суспензии, времени осаждения, площади поверхности осаждения и электрическому полю. Процесс можно регулировать под постоянным режимом напряжения, тока, концентрацией навески, изменяя лишь время и количество циклов осаждения. Были продемонстрированы кинетические аспекты процесса электрофоретического осаждения через схематические графики в зависимости от времени осаждения для четырех возможных условий [15]. Графики представлены на рисунке 1.7.
Рисунок 1.7 - Кинетика электрофоретического осаждения [15]
Кривая А (ток и концентрация суспензии постоянны), кривая B (постоянный ток, но уменьшается концентрация суспензии), кривая С (напряжение, ток и концентрация суспензии постоянны) и кривая D (постоянное напряжение, но уменьшается концентрация суспензии). За исключением кривой А, где скорость осаждения постоянна со временем, скорость осаждения уменьшается асимптотически со временем осаждения на кривых В, С и D. Учитывая время, скорость осаждения является самой высокой на кривой А, за которой следуют кривые В, С и D соответственно. Влияние снижения концентрации суспензии на снижение конечного выхода и скорости осаждения очевидно либо при постоянном токе (кривые А и В), либо при постоянном напряжении кривые С и D). Сравнение кривой А (постоянного тока) и кривой С (постоянного напряжения) четко показывает, что даже если концентрация суспензии поддерживается постоянной во время осаждения в них обеих, тоскорость осаждения постоянна в кривой А. Некоторое время она уменьшалась асимптотически с течением времени в кривых C и B. Такое снижение скорости частиц при постоянном напряжении обусловлено тем, что осаждаемая масса действует как экранирующий эффект и обладает более высоким электрическим сопротивлением, чем суспензия, из которой происходит осаждение. Следовательно, по мере того, как осадок растет со временем осаждения, имеющиеся электрические движущие силытакже со временем уменьшаются [15].
Таким образом, кинетика электрофоретического осаждения - одно из главных свойств метода, которое контролирует процесс осаждения.
1.5 Термитные смеси
Термитная смесь - порошкообразная смесь алюминия (реже магния) с оксидами различных металлов.
При воспламенении интенсивно сгорает с выделением большого количества тепла. Обычно имеет температуру горения 2300-2700°C, а в случае применения более сильных окислителей, таких как оксиды никеля, хрома или вольфрама, значительно выше. Процентное соотношение масс компонентов смеси определяется стехиометрическим соотношением.
Термитные смеси способны гореть без присутствия кислорода, их невозможно потушить водой. Некоторые виды термитов горят почти без пламени, некоторые с приличным форсом (силой или количеством) огня. Термит обладает чрезвычайно сильным прожигающим действием. Расплавленный термит легко прожигает листы дюраля, стали и железа. Термитом можно вызвать пожар на любом объекте, даже если там нет легковоспламеняющихся материалов.
В зависимости от требуемого результата и условий использования термиты могут обеспечить такие функции, как тепловое воздействие и пиротехнический эффект. Пиротехнические составы могут применяться в качестве средств освещения и в изготовлении сигнальных огней. Также термиты широко применяются в микроэлектронике и военной промышленности.
На эффективность горения термитных смесей влияют несколько факторов: природа алюминия и окислителя, стехиометрия смеси, размер частиц и распределение. В своей статье Жэнг и Ли [16] сообщают, что, благодаря недорогому оборудованию и простоте управления толщиной пленки, метод электрофоретического осаждения набирает популярность. А также является достаточно эффективным.
Однако, только три вида нанотермитных материалов (Al-CuOx, Al-Fe2O3, Al-NiO) были успешно изготовлены методом электрофоретического осаждения. Было выявлено, что термитная смесь Al-NiOвыделяет меньше газа. Генерация газа (пара и кислорода) из термита Al-NiO составляла около 2% газа, полученного из термита Al-CuOx, и была намного ниже, чем в других аналогичных термитных системах. Кроме того, у Al-NiO температура была ниже, чем у Al-CuOx. По этим причинам в данном исследовании была введена подходящая дисперсионная система, которая была ключом к успешному осаждениюнанотермитного материала Al-NiOи представляла собой первую попытку разработки осажденияAl-NiO с потенциалом для дальнейшего применения [16].
В статье про изготовление подложки Жэнг [17] пошагово описывает процесс с последующим осаждением на нее материала Al-CuOx. Производственный процесс показан на рисунке 1.8.
Рисунок 1.8 - Процесс изготовления подложки с дальнейшим осаждением на нее материала Al-CuOx [17]
Процесс начинается с полировки подложки толщиной 500 мкм. Подложка извлекается из смеси с ацетоном и масляной серной кислотой, тщательно промываетсядеионизированной водой и высушивается азотом. Затем подложку помещают в духовку при температуре 200°С на 20 минут перед дальнейшей сушкой. Далее методом электронно-лучевого испарения осаждается металлическая пленка в составе Cr-Pt-Au толщиной 20-120-800 нм. Пленка хрома действует как слой прилипания между платиной и подложкой. Платиновая пленка служит резистором, а пленка золота действует как проводник и контактная площадка. Термитный Материал Cr-Pt-Auсмешивается в ацетоне и очищается при помощи ультразвука в течение 30 минут. После этого подложка с металлами Cr-Pt-Au покрывается спином сопротивления и рисунком с использованием фотолитографии. Затем золото удаляется, а платина остается в качестве резистора [17].
Далее осаждается слой диоксида кремния с толщиной 300 нм на стеклянной подложке с помощью плазменно-химического осаждения из газовой фазы. Слой SiO2использован для того, чтобы защитить нагреватель и предотвратить потенциальное короткое замыкание в следующем процессе. Затем осаждается титановая пленка толщиной 30 нм, которая оседает на стеклянной подложке, а также медная пленка толщиной 50 нм. Титановая пленкавыступает промежуточным слоем между медью и Au-Pt-Cr, а медная пленка выступает в качестве электрически проводящего слоя для последующей гальванизации. Пленка Cu толщиной 1 мкм осаждается гальваническим путем [17].
Стеклянная подложка после этого очищается в течение 20 секунд для того, чтобы удалить естественную медную окись, сформированную на поверхности пленки меди. Затем ее промывают деионизированной водой и сушат в азоте. Подложку помещают на чистую кремниевую пластину, которая помещается на кварцевую лодочку. Затем подложку нагревают в печи при 450?C в течение 5 секунд. После термической обработки цвет пленки становится черным [17].
Открытая подложка кремния вытравливается с помощью глубокого реактивного ионного травления. Подложка кремния с отверстиями использована как маска для последующего осаждения алюминия. Алюминий осаждается термальным испарением на стеклянную подложку с нанопроволоками оксида меди. Толщина осаждения (в среднем по подложке) Al в тепловом испарителе составляет 1,12 мкм. Слой SiO2, нанесенный на предыдущем шаге, имеет решающее значение для инициатора. Если бы не было этого слоя, то алюминий, который является хорошим проводником, соединился бы с платиной, что привело бы к короткому замыканию [17].
В статье описывается достаточно сложный процесс подготовки подложки, который на практике может быть упрощен обычным травлением и отмывкой материала.
Таким образом, метод электрофоретического осаждения является одним из наиболее простых в исполнении, а также не требует дорогостоящего оборудования. Преимущества метода в том, что во время проведения процесса можно менять время и количество циклов осаждения.
Наиболее используемые термитные смеси на данный момент Al-Niи Al-CuOx. В данной работе будут продемонстрированы экспериментальные исследования процесса осаждения с составом Al-CuOx.
Глава 2. Технологическая часть
2.1 Электрофоретическая ячейка
Для проведения эксперимента необходимо было собрать электрофоретическую ячейку. В ее состав входят источник постоянного напряжения, суспензия, емкость для суспензии, электроды. Схема ячейки представлена на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Электрофоретическая ячейка
Изначально в качестве емкости для суспензии использовался стеклянный стакан объемом 100 мл.
Но впоследствии была выявлена проблема постоянного расстояния между двумя электродами. После каждого цикла осаждения расстояние могло меняться, так как электроды не были достаточно хорошо закреплены.
Для решения данной проблемы был взят стакан, распечатанный на 3D-принтере, в котором расстояние между электродами не регулируется и сохраняется постоянным. Фото стакана представлено на рисунке 2.2.
а б
Рисунок 2.2 - Фото стакана, распечатанного на 3D-принтере: а) вид сбоку; б) вид сверху и держатели для электродов
2.2 Подготовка образцов
Для очищения от загрязнений образцы из фольги титана размером 40 х 20 мм опускались в травитель, после чего промывались в стаканах с деионизованной водой. Затем образцы высушивались в парах изопропилового спирта. Далее для осаждения нанотермитного материала на поверхности титановой фольги формировалась маска из химически стойкого лака. Схема маскирования представлена на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Схематическое изображение маскирования экспериментального образца с обратной и лицевой стороны
Так выглядели образцы, которые готовились для проведения эксперимента в стеклянном стакане объемом 100 мл. После появления нового стакана процесс подготовки образцов был немного упрощен. Размеры образцов увеличились до 50 х 25 мм. Пропала потребность в формировании маски из химически стойкого лака.
2.3 Подготовка суспензии
Подготовка суспензии состоит из нескольких этапов:
1) определить подходящий растворитель. Это может быть этанол, ацетон, изопропил и т.д.;
2) подобрать стехиометрию и рассчитать навеску металлических порошков;
3) после смешения всех компонентов поместить в ультразвуковую ванну для разбиения частиц;
4) в случае образования агломератов из активных веществ добавить ПАВ.
Толщина и равномерность осадка варьируются с помощью регулирования подаваемого напряжения на катод, временем и количеством циклов осаждения.
В качестве растворителя использовался изопропиловый спирт. Взвешивание нанопорошков проводилось на высокоточных измерительных весах "MettlerToledo" XP 205 в соответствии с рассчитанным стехиометрическим соотношением Al: CuOx - 2,5: 3,5. Фото весов представлено на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Высокоточные измерительные весы "MettlerToledo" XP 205
Исходя из соотношения, был определен оптимальный вес нанопорошков (12,5 мг Al и 17,5 мг CuOx). Для повышения энергии активации инициатора были добавлены углеродные нанотрубки в количестве 1 мг.
Далее пробирка с компонентами суспензии отправлялась на 35 минут в ультразвуковую ванну для разбиения частиц. Фото проведения данного процесса представлено на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 - Фото разбиения частиц компонентов суспензии при помощи ультразвука
2.4 Проведение процесса электрофоретического осаждения
Электрофоретическое осаждение представляет собой направленное движение заряженных частиц дисперсной фазы суспензии в электрическом поле. На рисунке 2.6 представлена схема движения заряженных частиц суспензии.
Рисунок 2.6 - Схема движения заряженных частиц суспензии при проведении процесса электрофоретического осаждения
Нормальное течение процесса электрофоретического осаждения возможно при наличии устойчивой суспензии. Изначально в качестве растворителя суспензии использовался ацетон + этанол. Однако эксперимент оказался неудачным еще на стадии подготовки суспензии. Затем в качестве растворителя успешно был подобран изопропиловый спирт.
В случае проведения эксперимента в стеклянном стакане в растворитель опускались два электрода. Устанавливалось определенное расстояние между ними, после чего выставлялось одно напряжение. Эксперимент проводился в несколько циклов по несколько минут. После каждого цикла образец вынимали и высушивали, после чего снова опускали в растворитель и устанавливали расстояние между электродами. При этом суспензия не обновлялась, а оставалась в стакане на протяжении всего процесса.
После замены стеклянного стакана на более удобный, распечатанный на 3D-принтере, процедура проведения процесса немного изменилась. Объем нового стакана значительно меньше объема стеклянного. Поэтому теперь после каждого цикла заливалась новая партия одной и той же суспензии, а старая выливалась. Таким образом, суспензия не истощалась и постоянно сохраняла свою консистенцию. Кроме того, пропала необходимость в постоянном выставлении одного и того же расстояния между электродами, так как конструкцией стакана было предусмотрено постоянное расстояние в 10 мм.
Во время проведения экспериментов напряжение варьировалось от 50 до 150 В. Время осаждения от 5 до 50 минут в течение одного цикла. Количество циклов осаждения менялось от 1 до 5. Масса навески суспензии изменялась по нисходящей с 75 до 30 мг.
Глава 3. Экспериментальная часть
Несмотря на то, что наиболее актуальным соединением является Al-Ni, так как горит практически без газового выделения, для проведения экспериментов был выбран состав Al-CuOx-CNT. У данного соединения не возникает проблем с инициацией воспламенения, чего нельзя сказать про соединение Al-Ni.
Сначала исследовался состав Al-CuOxбез углеродныхнанотрубок. Но в таком виде скорость распространения реакции горения термитного материала была слишком высока. Кроме того, зачастую материал прогорает не полностью. Именно поэтому в состав суспензии были добавлены углеродные нанотрубки. На рисунке 3.1 представлены РЭМ-изображения термитных соединений Al-CuOxи Al-CuOx-CNTсоответственно.
а б
Рисунок 3.1 - РЭМ-изображения термитных соединений: а) Al-CuOx; б) Al-CuOx-CNT
Как видно из рисунка 3.1 углеродныенанотрубки выступают как связующий компонент между осаждаемыми материалами. Тем самым снижают скорость распространения реакции горения. Данное утверждение было проверено экспериментально.
3.1 Экспериментальное исследование процесса осаждения с составом Al-CuOx
Было проведено несколько экспериментов с составом Al-CuOx+ изопропиловый спирт. По результатам выявлена зависимость веса осадка от напряжения и построен график, который представлен на рисунке 3.2.
Рисунок 3.2 - Зависимость веса осаждаемого материала Al-CuOx от напряжения
Эксперименты проводились при напряжении от 10 до 160 В с шагом 10 В. На графике точками обозначены выборочные результаты измерения при 10, 30, 70, 100 и 160 В. Каждое измерение проводилось одним циклом по пять минут. По графику можно сделать вывод, что зависимость веса от напряжения практически линейная.
Кроме того, была проведена раскадровка горения термитного материала Al-CuOx, которая представлена на рисунке 3.3.
Рисунок 3.3 - Раскадровка видеосъемки горения термитного материала Al-CuOx
Скорость распространения фронта реакции составляла 4,2 м/с и определялась высокоскоростной видеокамерой. Нужно отметить, что скорость достаточно высока по сравнению с составом Al-CuOx-CNT, который будет рассмотрен далее.
3.2 Экспериментальное исследование процесса осаждения с составом Al-CuOx-CNT
Изначально в качестве растворителя для суспензии был взят ацетон + этанол. Однако суспензия получилась неравномерной, и осаждения не произошло.
Затем растворитель был заменен на изопропиловый спирт. Была рассчитана навеска в стехиометрическом соотношении Al: CuOx - 1: 2. Взяли 25 мг алюминия и 50 мг оксида меди. Туда же был добавлен 1 мг углеродных нанотрубок. Было проведено два цикла осаждения по четыре минуты каждый при напряжении 70 В. Готовый образец под номером 69 был отправлен на РЭМ. Результаты РЭМ-исследования приведены на рисунке 3.4.
а б
в г
Рисунок 3.4 - РЭМ-изображения образцапод номером 69Al-CuOx-CNTв разных масштабах
Как видно из результатов исследования, слишком мало нанотрубок осело на образец. В результате образец не загорелся. В связи с этим было решено взять меньшее количество навески, но сохранить стехиометрическое соотношение и количество нанотрубок.
В новом эксперименте было взято 15 мг алюминия и 30 мг оксида меди. Масса углеродных нанотрубок осталась прежней (1 мг). Было увеличено подаваемое напряжение до 100 В. Осаждение проходило одним циклом в течение десяти минут. РЭМ-изображения образца под номером 112представлены на рисунке 3.5.
а б
в г
Рисунок 3.5 - РЭМ-изображения образца под номером 112 Al-CuOx-CNTв разных масштабах
С тем же составом суспензии был проведен эксперимент с образцом под номером 117. Однако напряжение было увеличено до 150 В, а количество циклов до шести. Каждый цикл длился по пять минут. РЭМ-изображения образца под номером 117 представлены на рисунке 3.6.
а б
в г
Рисунок 3.6 - РЭМ-изображения образца под номером 117 Al-CuOx-CNTв разных масштабах
Оба образца равномерно хорошо покрылисьуглеродныминанотрубками по сравнению с образцом под номером 69. Однако и в этот раз ни один из образцов не загорелся. Возникло предположение, что проблема кроется в стехиометрическом соотношении компонентов суспензии. Чтобы выяснить соотношение осажденного материала на образцах, пришлось обратиться к результатам элементного анализа термитного материала, которые представлены на рисунке 3.7.
а
б
Рисунок 3.7 - Элементный анализ термитного материала Al-CuOx-CNTдвух образцов: а) образец 112; б) образец 117
Как видно из элементного анализа больше всего в процентном соотношении осело алюминия. Количество алюминия от общего осадка составляет около 30%.
Как уже упоминалось выше, проблема могла крыться в стехиометрическом соотношении. Исходя из данного умозаключения, решено было уменьшить навеску и сделать соотношение Al: CuOx = 1: 1, оставив при этом массу алюминия в составе 15 мг и уменьшив массу оксида меди также до 15 мг. Масса углеродных нанотрубок остается неизменной (1 мг).
Был проведен эксперимент с новым стехиометрическим соотношением, но напряжение осталось неизменным. Был проведен процесс с образцом под номером 128 также, как и с образцом под номером 112, одним циклом в течение 10 минут. РЭМ-изображения образца под номером 128 представлены на рисунке 3.8.
а б
в г
Рисунок 3.8 - РЭМ-изображения образца под номером 128 Al-CuOx-CNT в разных масштабах
На изображениях видно, что материал ложится равномерно и казалось бы, должен воспламениться. Но и в этот раз эксперимент завершился неудачно. В чем же проблема? Рассмотрим элементный анализ, который представлен на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9 - Элементный анализ термитного материала Al-CuOx-CNT образца под номером 128
Из элементного анализа видно, что алюминий составляет около 45% от общей массы осадка. Проведя сравнительный анализ всех образцов, было выдвинуто предположение, что стехиометрический состав должен быть в соотношении Al: CuOx=2,5: 3,5с сохранением общей массы навески. Таким образом, для следующего эксперимента была подготовлена суспензия с массой алюминия, равной 12,5 мг и массой оксида меди, равной 17,5 мг.
Кроме того, было выдвинуто предположение, что толщина осадка слишком тонкая. Именно поэтому образец два раза был взвешен на высокоточных измерительных весах. Первый раз без осадка перед проведением эксперимента, второй - после проведения. Разница двух измерений показала массу осадка, которая равняется 3,2 мг.
Чтобы увеличить толщину осадка, было решено провести более длительный процесс. Именно поэтому эксперимент с образцом под номером 135 проводился в течение 20 минутпри том же напряжении в 150 В. А эксперимент с образцом под номером 136 - 50 минут одним циклом. На рисунке 3.10представлены РЭМ-изображения образца под номером 135.
а б
Рисунок 3.10 - РЭМ-изображения образца под номером 135 Al-CuOx-CNT в разных масштабах
Для сравнения на рисунке 3.11 представлены РЭМ-изображения образца под номером 136.
а б
Рисунок 3.11 - РЭМ-изображения образца под номером 136 Al-CuOx-CNT в разных масштабах
На обоих образцах материал распределился достаточно равномерно. Но из-за разницы в длительности процесса толщина осадка равномерно поменялась. В первом случае эксперимент длился 20 минут, во втором - 50 минут, то есть в 2,5 раза длиннее. Масса осадка на образце под номером 135 равняется 2,4 мг, на образце под номером 136 - 5,6 мг. Почти так же в 2,5 раза больше. Соответственно и толщина осадка в 2,5 раза больше, так как площадь осаждения одинакова. Исходя из вышеперечисленных данных, можно сделать вывод, что толщина осадка линейно увеличивается с увеличением длительности процесса.
Так каков должен быть вес осадка, чтобы эксперимент дал положительный результат? Оказалось, что 2,4 мг слишком мало, так как образец 135 не загорелся. Но зато вспыхнул образец под номером 136, который имеет осадок весом 5,6 мг. Казалось, эксперимент наконец-то удался. Но осадок прогорел не полностью, а лишь наполовину. Тогда было решено провести контрольный эксперимент.
Уже было ясно, что состав суспензии и стехиометрия подходящие. Задача была лишь в том, чтобы осадок получился тяжелее 5,6 мг. Для этого было решено не увеличивать время проведения процесса. Оставить те же 50 минут, но разбить их на 5 циклов по 10 минут каждый. И, в отличие от предыдущих экспериментов, после каждого цикла выливалась суспензия и наливалась в стакан новая с тем же составом. Это должно было решить проблему, так как за 50 минут суспензия истощается практически полностью. И спустя какое-то время материал уже не осаждается. Электрод просто погружен в растворитель, но процесс не идет. Поэтому для осаждения более толстого слоя было решено перед каждым новым циклом заливать в стакан новую суспензию. И это решение оказалось верным. На рисунке 3.12представлены РЭМ-изображения образца под номером 141.
а б
Рисунок 3.12 - РЭМ-изображения образца под номером 141 Al-CuOx-CNTв разных масштабах
Образец под номером 141 имеет осадок массой 11,1 мг. Это в два раза выше, чем предыдущий, 136 образец. И уже в этот раз образец вспыхнул и полностью прогорел. Эксперимент можно считать удачным. Нанотермитный материал был получен методом электрофоретического осаждения. И его можно использовать в качестве инициатора вторичной реакции.
В таблице 3.1 представлена сравнительная характеристика всех образцов.
Таблица 3.1 - Сравнительная характеристика образцов
|
Номер образца |
Al, мг |
CuOx, мг |
U, В |
Время, с |
Кол-во циклов |
|
|
69 |
25 |
50 |
70 |
4 |
2 |
|
|
112 |
15 |
30 |
100 |
10 |
1 |
|
|
117 |
15 |
30 |
150 |
5 |
6 |
|
|
128 |
15 |
15 |
150 |
10 |
1 |
|
|
135 |
12,5 |
17,5 |
150 |
20 |
1 |
|
|
136 |
12,5 |
17,5 |
150 |
50 |
1 |
|
|
141 |
12,5 |
17,5 |
150 |
10 |
5 |
Как видно из таблицы, лучшими характеристиками для инициации реакции являются соотношение Al: CuOx = 2,5: 3,5 при общей навеске в 30 г, напряжение 150 В, время проведения процесса 5 циклов по 10 минут каждый с заменой суспензии после каждого раза. Именно при таких характеристиках воспламенился термитный материал Al-CuOx-CNT, коим является образец под номером 141.
Была проведена видеосъемка горения данного образца, после чего сделана раскадровка. Также была определена скорость горения термитного материала. Раскадровкапредставлена на рисунке 3.13.
а б в
г д
Рисунок 3.13 - Раскадровка видеосъемки горения термитного материала Al-CuOx-CNTсо скоростью распространения фронта реакции: а) 0 мс; б) 0,08 мс; в) 0,16 мс; г) 0,23 мс; д) 0,31 мс
Скорость распространения фронта реакции составляет 0,31 м/с. Это в 13,5 раз ниже, чем скорость распространения фронта реакции при горении термитного материала без углеродных нанотрубок, о которых упоминалось выше.
3.3 Выводы
Таким образом, экспериментальным путем было доказано предположение о том, что при добавлении углеродных нанотрубок скорость распространения фронта реакции снижается (4,2 м/с без нанотрубок и 0,31 м/с при их добавлении).
Был выбран оптимальный состав суспензии для проведения эксперимента и подобрана стехиометрия навески. В итоге экспериментальным путем получен термитный материал Al-CuOx-CNTс массой, равной 11,1 мг. Осаждение длилось в течение пяти циклов по 10 минут каждый. Данный образец можно использовать в качестве инициатора вторичных реакций.
Заключение
В настоящее время активно исследуются термитные материалы для различных применений в микро и наноэлектронике, так как привлекают интерес со стороны исследователей по всему миру.
В последнее время термитные материалы все чаще формируют методом электрофоретического осаждения. Данный метод не требует дорогих установок и является простым в исполнении. Успех процесса зависит от заранее выбранных компонентов в правильном стехиометрическом отношении.
В нашем случае соотношение получилось Al: CuO = 2,5: 3,5 (12,5 мг алюминия и 17,5 мг оксида меди) при добавлении 1 мг углеродных нанотрубок. Проведя серию экспериментов при достаточно высоком напряжении, равном 150 В, были выявлены оптимальные условия осаждения. Пять циклов по 10 минут каждый с постоянным обновлением суспензии. Именно в таком режиме осаждается достаточно толстый слой, который хорошо воспламеняется. При таких параметрах получается готовый нанотермитный материал, который можно использовать в микроэлектронике в качестве инициатора вторичных реакций.
Также экспериментальным путем было доказано, что при добавлении углеродныхнанотрубок (CNT) в состав Al-CuOxскорость распространения фронта реакции снижается. Внашемслучаеоченьсущественно, в 13,5 раз.
Списоклитературы
1. LaxmidharBesra, MeilinLiu // Areviewonfundamentals and applications of electrophoretic deposition (EPD) // Progress in Materials Science. - 2007. - P.3-16.
2. Hamaker HC // Formation of deposition by electrophoresis // Trans Farad Soc. - 1940. - Vol.36 - P.79-83.
3. Heavens N. // Electrophoretic deposition as a processing route for ceramics. In: Binner GP, editor // Advanced ceramic processing and technology, vol.1. Park Ridge (NJ), USA: Noyes Publications. - 1990. - P.83.
4. Zhitomirsky I. // Cathodic electrophoretic deposition of ceramic and organoceramicmaterials - fundamental aspects // Adv Colloid Interface Sci. - 2002. - Vol.97 - P.279-317.
5. Sato N, Kawachi M, Noto K, Yoshimoto N, Yoshizawa M. // Effect of particle size reduction on crack formation in electrophoretically deposited YBCO ?lms // Physica C. - 2001. - P.357-360.
6. Sarkar P, Nicholson PS. // Electrophoretic deposition (EPD): mechanisms, kinetics and application to ceramics // J Am Ceram Soc. - 1996. - P.79.
7. Chen F, Liu M. // Preparation of yttria-stabilised zirconia (YSZ) ?lms on La0.85Sr0.15MnO3 (LSM) and LSM - YSZ substrate using an electrophoretic deposition (EPD) process // J Eur Ceram Soc. - 2001. - Vol.21 - P.127.
8. Negishi H, Yanagishita H, Yokokawa H. // Electrophoretic deposition of solid oxide fuel cell material powders. In: Proceedings of the electrochemical society on electrophoretic deposition: fundamentals and applications // Pennington, USA - 2002. - Vol.21 - P.214.
9. Ferrari B, Moreno R. // The conductivity of aqueous Al2O3 slips for electrophoretic deposition // Mater Lett - 1996. - Vol.28 - P.353.
10. Ferrari B, Moreno R. // Electrophoretic deposition of aqueous alumina slip // J Eur Ceram Soc. - 1997. - P.17.
11. Basu RN, Randall CA, Mayo MJ. // Fabrication of dense zirconia electrolyte ?lms for tubular solid oxide fuel cells by electrophoretic deposition // J Am Ceram Soc. - 2001. - P.33-40.
12. Wang Y-C, Leu I-Chi, Hon M-H. // Kinetics of electrophoretic deposition for nanocrystalline zinc oxide coatings // J Am Ceram Soc. - 2004. - P.87.
13. Zhitomirsky I, Gal-or L. // Electrophoretic deposition of hydroxyapatite // J Mater Sci Mater Med. - 1997. - P.8.
14. Vandeperre L, Van Der Biest O, Clegg WJ. // Silicon carbide laminates with carbon interlayers by electrophoretic deposition // Key Eng Mater (Pt.1, Ceramic and Metal Matrix Composites) - 1997. - P.127-131.
15. Sarkar P, De D, Rho H. // Synthesis and microstructural manipulation of ceramics by electrophoretic deposition // J Mater Sci. - 2004. - P.39.
16. Daixiong Zhang, Xueming Li // Fabrication and Kinetics Study of Nano-Al/NiO Thermite Film by Electrophoretic Deposition // The journal of physical chemistry - 2015. - P.4688-4689.
17. Kaili Zhang, Carole Rossi, Marine Petrantoni, Nicolas Mauran // A Nano Initiator Realized by Integrating Al/CuO - Based Nanoenergetic Materials withanAu/Pt/Cr Microheater // Journal of microelectromechanical systems - 2008. - P.832-833.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Каталитические и некаталитические реакции, метод анодирования, метод электрохимического осаждения пленок для интегральной электроники. Сущность метода газофазного осаждения для получения покрытия из AlN. Физикохимия получения пленочных покрытий.
курсовая работа [362,8 K], добавлен 29.04.2011Изучение требований, предъявляемых к тонкопленочным резисторам. Физическая природа удельного электрического сопротивления пленок. Изучение методов осаждения пленок. Способы конструирования тонкопленочных резисторов. Выбор геометрии и площади резистора.
реферат [3,2 M], добавлен 07.11.2010Метод магнетронного распыления материалов. Элементы магнетронной системы и её схема. Скорость распыления материала при ионной бомбардировке и влияющие на неё факторы. Теория Зигмунда и расчёт коэффициента распыления. Модель кольцевого испарителя.
контрольная работа [261,0 K], добавлен 17.06.2012Экспериментальное исследование схемы автоколебательных мультивибраторов на транзисторах и интегральных микросхемах. Измерение тока коллектора с помощью осциллографа. Факторы, ограничивающие величину максимальной частоты генерации мультивибраторов.
лабораторная работа [87,9 K], добавлен 18.06.2015Исследование системы автоматического регулирования с использованием метода корневого годографа; критерии оценки качества и характеристики: устойчивость, ошибки переходного процесса. Определение критического коэффициента усиления разомкнутой системы.
отчет по практике [1,7 M], добавлен 15.03.2013Экспериментальное исследование свойств и характеристик линейных динамических звеньев первого порядка во временной и частотной области. Исследование переходной функции h(t). Исследование частотных характеристик устойчивого апериодического звена.
лабораторная работа [111,7 K], добавлен 21.04.2012Классификация методов исследования наноструктур. Устройство СЗМ Solver HV. СЗМ измерительная система, элементы. Система термостатирования образца. Экспериментальное исследование режимов работы АСМ Solver HV для изучения наноструктурированной поверхности.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 12.06.2012Основные признаки классификации регистров. Принципов построения регистров сдвига, способы преобразования параллельного кода в последовательный и обратно. Сборка схем регистров сдвига и экспериментальное исследование их работы в динамическом режиме.
лабораторная работа [460,8 K], добавлен 12.10.2015Исследование влияния на ошибки квантования, спектры квантованного сигнала и ошибки выбора величины динамического диапазона. Исследование влияния соотношения частоты сигнала и частоты дискретизации АЦП. Режим усечения и округления результатов квантования.
лабораторная работа [195,9 K], добавлен 17.10.2011Особенности функционирования РТС в высоких широтах. Экспериментальное исследование процессов нелинейного преобразования (при наклонном распространении), умножения и смещения (при вертикальном зондировании) частоты мощных радиосигналов в ионосфере.
курсовая работа [5,0 M], добавлен 26.01.2010Общая характеристика моделей распространения радиоволн. Основные проблемы распространения и методы их решения. Моделирование распространения радиоволн в городе с помощью эмпирических моделей. Экспериментальное исследование уровня сигнала базовой станции.
дипломная работа [3,7 M], добавлен 07.07.2012Исследование взаимосвязей между параметрами типовых динамических звеньев и их характеристиками. Оценка влияния изменения постоянной времени и коэффициента демпфирования на характер переходного процесса. Определение параметров звеньев первого порядка.
лабораторная работа [805,8 K], добавлен 06.04.2016Определение электрических параметров диэлектриков волноводным методом. Исследование высокочастотного фидера. Исследование характеристик периодических замедляющих систем. Рассмотрение волн в прямоугольном волноводе и полей в объемных резонаторах СВЧ.
методичка [317,4 K], добавлен 26.01.2009Понятие и сфера применения выпрямителя электрического однофазного. Экспериментальное исследование характеристик мостового выпрямителя переменного тока с различными видами сглаживающих фильтров. Освоение методики исследования и расчета выпрямителя.
лабораторная работа [141,3 K], добавлен 18.06.2015Изучение и экспериментальное исследование влияния вида модуляции на помехоустойчивость системы передачи дискретных сообщений. Рассмотрение методики экспериментального измерения вероятности ошибки при когерентном приёме. Построение графика зависимости.
лабораторная работа [1,4 M], добавлен 13.10.2014Сущность и задачи литографии. Описание процесса создания рисунка с использованием фотолитографии на кремниевой подложке. Исследование режимов технологического процесса ионного легирования в кремниевой технологии при помощи компьютерных программ.
реферат [23,9 K], добавлен 01.02.2016Функциональное состояние нервно-мышечного аппарата. Стимуляционная электромиографии. В основе лежит исследование прямого мышечного ответа, возникающего при электрическом раздражении периферического нерва из-за ортодромного распространения возбуждения.
реферат [63,6 K], добавлен 03.01.2009Стабилитрон - диод для стабилизации напряжения. Экспериментальное исследование характеристик полупроводникового стабилитрона. Использование программы Electronics Workbench. Схемы прямого и обратного включения стабилитрона, понятие его рабочих участков.
лабораторная работа [52,9 K], добавлен 12.01.2010Исследование основных законов развертки изображения и принципов формирования построчного чересстрочного растра. Устройство, формирующее импульсы частот вертикального и горизонтального отклонений; получение телевизионных растров с различным числом строк.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 04.03.2011Схема накачки редкоземельных элементов Tm3+, находящегося в диэлектрическом кристалле, сравнительные характеристики матриц. Характеристики кристалла. Спектры пропускания и люминесценции. Экспериментальное исследование генерационных характеристик лазера.
контрольная работа [750,7 K], добавлен 13.06.2012
