рахимбеков А.Ж., Нурбосынова Г.С., Садуакасова Р.А.,

Жетысуский Государственный университет им. И. Жансугурова, Республика Казахстан

Синтез нанопленки диоксида ванадия с помощью суперионика

Наиболее естественный путь получения окислов металлов, в том числе ванадия – окисление металла кислородом газовой фазы. Течение и результат окисления зависят от времени и кислородного потенциала газовой фазы [1], который в простейшем случае смеси кислорода с нейтральным газом, взятой при общем давлений 1 атм., определяется температурой Т и парциальным давлением кислорода р:

(1)

где R - универсальная газовая постоянная.

Наилучшим из таких средств является кислородный насос (КН), основанный на использовании транспортных свойств стабилизированной двуокиси циркония, и предназначенной для дозирования кислорода в атмосфере инертного газа, состоящий из двух блоков: измерительного и качающего определенную порцию кислорода с помощью электрического поля постоянного тока.

Рис. 1 Макет кислородного насоса из суперионика

Собственно КН показан на рис.1. Качающая и измерительная секция во избежание гальванической связи между ними смонтированы на двух последовательно соединенных трубках 1 из керамики состава +9мол. % V₂O₃. Длина трубки 240 мм, диаметр 10мм, толщина стенки 1 мм. Электроды 2 получены двукратным вжиганием платиновой пасты при 900⁰С в течение одного часа. Длины качающей и измерительной секции составляют соответственно 100 и 5 мм. Токоотводы 3 выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,5 мм. припеченной к пастовому покрытию. Платино-платинородиевые термопары 4 смонтированы непосредственно на качающей и измерительной секциях. Вакуумплотные соединения качающей и измерительной секциях. Вакуумноплотные соединения качающей и измерительной секции между собой и с газовой магистралью выполнены как это описано вверху [2].

КН подсоединен к технологической камере, в которой производится окисление пленок ванадия.

Рис. 2 Технологическая камера для окисления нанопленки диоксида ванадия.

Камера представляет собой трубу из оптического кварца 1 диаметром 60 мм, длиной 600 мм [3]. Труба укреплена вертикально запаянным концом вверх. Газ – аргон с концентрацией кислорода, задаваемой кислородным насосом, поступает в камеру через трубку 2, расположенную в верхней части. Образец 3 в виде пленки ванадия на ситалловой подложке вводится в рабочую зону камеры с помощью держателя 4, укрепленного на съемной пробке 5 с отверстием для выхода газа. В держателе смонтирована термопара 6 для измерения температуры образца. В установке предусмотрена возможность непрерывного оптического контроля процесса окисления. Она снабжена лазером ЛГ-126. Контроль осуществляется на длине волны λ=0.63мкм по интенсивности излучения, отраженного от окисляемого образца. В зависимости от текущего значения толщины пленки VO₂ меняются условия интерференции излучения, отраженного от поверхности VO₂ и металла, что позволяет судить о глубине прокисления образца [4].

Принципиальные схемы системы оптического контроля состоит из оптической части, лазера красного излучения, которая включает в себя механический прерыватель, зеркало, образец, фотоприемник рабочего сигнала. Электрическая часть включает фотоприемники рабочего и опорного сигналов, фазовый детектор, усилитель и двухкоординатный самописец.

Подготовка установки начинается с подключения газового баллона и установления требуемой скорости газового потока. Затем следует включить питание печей кислородного насоса и камеры и поднять температуру до заданных значений, причем во избежание теплового разрушения керамики скорость подъема температуры кислородного насоса не должна превышать 300град/час. Следует заранее включить приборы системы оптического контроля и питание цепи качающей секции, после чего установить ток качающей секции, обеспечивающий требуемое парциальное давление кислорода на выходе р, связанное с эдс измерительной ячейки формулой (2)

(2).

Образец пленки ванадия поместить на площадке держателя и ввести его в рабочую зону камеры, после чего настроить систему оптического контроля так, чтобы отраженный от образца луч лазера попал на фотоприемник. В процессе окисления ванадия интенсивность отраженного луча изменяется, при этом наблюдается отчетливая интерференционная картина, по которой можно судить о глубине прокисления образца рис.3.

Рис. 3 Интерференционная кривая

Видно, что по мере увеличения толщины пленки окисла интенсивность отражения падает, осциллируя [5]. Толщину окисной пленки, соответствующую расстоянию между соседними экстремумами, можно получить по формуле , где - рабочая длина волны лазера, n – показатель преломления пленки. Для =0.63мкм и n для VO₂ =3 получим d=0.05мкм.

Литература

1. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов. М: Химия, 1978-312с., ил.

2. Балкевич Б.Л. Техническая керамика: учеб.пособие для хим.-тех.специальностей высших учебных заведений. – М:Стройиздат, 1968.-200с., ил.

3. Etsell T.H., Eleugas S.N. The electrical propertic of solid oxide electrolytes. –Chem. Rev., 1970, v.70, N3, p 339-376.

4. Yuan D., Kroger F.A. Stabilized Zirconia as an Oxygen Dump., -J.Electrochem. Soc., 1969, v.116, N5, p.594-600.

5. Филиппов С.И. Теория металлургических процессов. –М:Металлургия, 1967.