РХТУ им. Менделеева, группа Ф-44, . Контрольная работа.
Вариант 8
1) Приведите возможные области применения метода CVD. Какие реакторы CVD называют реактором «с холодной» стенкой, каковы преимущества подобной организации процесса. Опишите принцип действия СVD реактора для непрерывного синтеза многослойных материалов.
Применение CVD для получения полупроводниковых устройств, МЭМС, наноматериалов, прикладные структурированные материалы и ультравысокотемпературные материалы для следующих областей:
Коммуникационные технологии
Оптоэлектронника
Микроэлектронные устройства
Нанотехнологии
Функциональные покрытия
Высокотемпературные сверхпроводники
Высокочистые материалы
Композиты
Реакторы с холодными стенками. В реакторах этого типа нагревается сама подложка, а стенки реактора при этом остаются холодными. Схема реактора представлена на Рис 2, на фото 2 и 3 показаны примеры таких реакторов. Обычно такой тип реактора выполнен из нержавеющей стали или кварца и в некоторых случаях имеет водоохлаждаемую рубашку. Подложка в реакторе такого может нагреваться встроенным в держатель подложки резистивным нагревателем или ВЧ-катушкой снаружи реактора. Реакторы с холодными стенками часто используются в процессах, требующих относительно высокие давления (сотни Торр), вплоть до атмосферного и даже больше и используют реактивные прекурсоры, разбавленные газом носителем. Множество сложных CVD процессов требуют применения реакторов этого типа. Преимущества таких реакторов в уменьшенном осаждении загрязнений на стенках реактора, уменьшенном энергопотреблении, низкой вероятности газо-фазных реакций. Но за это приходится платить невозможностью загрузить большое кол-во подложек на цикл и возможный термический стресс, которым подвергаются подложки, если их скорости нагрева/охлаждения слишком быстры.
CVD реактор для многослойных материалов
2) Плазмохимический реактор для получения ультрадисперсных порошков. Объясните принцип действия метода с использованием функциональной схемы процесса, укажите достоинства, недостатки, связь параметров процесса и характеристик получаемого продукта.
К таким реакторам относится, например, аппарат для проведения высокотемпературных химических реакций с получением порошков высокочистых элементарных металлов IVb, Vb, Vlb групп Периодической таблицы: титана, вольфрама, молибдена и др., или их сплавов, а также галогенирования оксидов металлов, синтеза углеводородов: ацетилена, бензина и др. Аппарат включает плазменный генератор, генерирующий плазму посредством электрического разряда между катодом и анодом при протекании плазмообразующего газа - аргона или азота. Также в аппарате имеется расположенная ниже анода реакционная зона, куда поступает из генератора плазма, а также исходная газообразная реакционная смесь. В названной реакционной зоне протекает химическая реакция с образованием целевого продукта. Далее происходит извлечение чистого целевого продукта.
Достоинства: Возможность управление размером частиц, чистый однородный продукт на выходе.
Недостатки: Дорогие тугоплавкие электроды, периодическая замена их, потребление высоких энергий, работа с высокими температурами – опасность установки.
Важно сказать что в реакционной зоне, есть вращающийся кристаллизатор(катализатор), который разбрызгивает капли расплавленного плазмой материала. Капли затвердевают в виде монокристаллических частиц. Размер частиц сильно зависит от скорости вращения кристаллизатора и может находится в диапазоне от 01.01.01 нм.
Так же одним из условий получения ультрадисперсных порошков методом плазмохимического синтеза является протекание процесса вдали от равновесия. Получение наночастиц происходит при повышенной скорости охлаждения плазменного потока при выходе из газовой фазы, благодаря чему образуются частицы меньшего размера. Т. е. регулируя скорость охлаждения плазменного потока можно влиять на размер частиц.
Вариант 10
1) В чём заключаются отличия методов CVD и PVD. Приведите пример организации процессов CVD и PVD получения нанокристаллического циркония. В чём будут состоять отличия материалов, получаемых данными методами.
Принципиальное отличие CVD от PVD заключается в том, что при CVD проходят химические реакции помимо физических процессов, в отличие от PVD где создание газа(пара), его транспорт и конденсация проходят без хим. реакций, путем подачи тепловой или кинетической энергии столкновения частиц материала. Таким образом, метод CVD более сложный, требует более сложных установок для нужного протекания всех химических и физических процессов, более дорогой чем PVD(несмотря на то, что при PVD требуется вакуум, CVD дороже, т. к. требуются реагенты, более высокие температуры, организация и настройка более сложного оборудования), но позволяет получать более чистые покрытия, чем методом PVD.
Пример организации получения высокочистого циркония методом CVD (Ван Аркель и Де Боер,1925 г)
Черновой металл с добавкой некоторого количества иода помещают в герметичную камеру. Зону камеры, где находится эта смесь, разогревают до температуры 400 — 600 °C (в зависимости от очищаемого металла), при этой температуре образуется иодид металла, который при такой температуре находится в газообразном состоянии. Затем пары иодида металла попадают в зону камеры, нагретую до температуры разложения иодида (1300 — 1700 °C). В ней происходит разложение иодида с выделением чистого металла на стенках камеры. Оставшийся после разложения иод попадает обратно в зону низкой температуры, взаимодействует с новой порцией металла, и цикл повторяется, пока в зоне низкой температуры не остаются примеси, которые с иодом не взаимодействуют.
PVD метод более простой:
Подложку(изделие) на которую будет осаждаться диоксид. помещают в вакуумную камеру, откачивают камеру до требуемого давления, затем происходит ионная очистка подложки(подложку бомбардируют ионами инертных газов или металлов). В камеру с цирконием подают температуру, образовавшиеся пары металла под давлением подают на подложку с более низкой температурой. Происходит адсорбция.
При PVD методе будут содержаться примеси, и размеры полученных частиц будут очень неоднородные, в отличии от CVD метода, где цирконий будет высокочистым, и однородным.
2) Получение наноматериалов при лазерном испарение атомов. Объясните принцип действия метода с использованием функциональной схемы процесса, укажите достоинства, недостатки, связь параметров процесса и характеристик получаемого продукта.
Лазер светит на вращающийся диск из металла, металл сублимируется в виде свободных молекул, (атомов или ионов) с потоком гелия попадает в канал роста кластеров. В этом канале формируются кластеры и уже их пучки. Эти пучки можно осаждать на подложке более низкой температуры.
Получение наночастиц серебра импульсным лазером.
Раствор нитрата серебра и восстановителя находится в емкости с вращающимся диском, происходит смешение. Лазер светит на диск, происходит его нагрев. В горячих областях диска нитрат реагирует с восстановителем, образуются наночастицы серебра, которые затем выделяют в центрифуге. На размер частиц можно влиять скоростью вращения диска и энергией лазерного луча. Этот метод обладает высокой производительностью: 2-3 г/мин.
Достоинства : Высокая производительность, возможность управления размером и формой наночастиц.
Недостатки: Высокие требования к лазеру(большая мощность, короткий импульс излучения), высокая стоимость.
