Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР 7
КІРІСПЕ 8
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы 9
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері 14
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь . гель әдісімен алу 18
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO .ның қасиеттері және қолданылу аймағы 19
1.5 Наноқұрылымды материалдарды зерттеу әдістері 27
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Қолданылатын төсеніштер және оларды тазалау әдістері 32
2.2 Оксидті жұқа жабындыларды дайындаудың әдістемесі 33
2.3 Алынған оксидті жұқа жабындылардың қасиеттерін зерттеуге арналған тәжрибелік қондырғылар 34
3 ЗЕРТТЕУЛЕРДІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ТАЛҚЫЛАУЛАР
3.1 Синтезделген үлгілердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу 37
3.2 Золь .гель әдісімен алынған оксидті қабыршақтардың оптикалық қасиеттерін зерттеу 41
ҚОРЫТЫНДЫ 44
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 45
ҚОСЫМША А
Жарияланған мақалалар тізімі
48
КІРІСПЕ 8
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы 9
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері 14
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь . гель әдісімен алу 18
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO .ның қасиеттері және қолданылу аймағы 19
1.5 Наноқұрылымды материалдарды зерттеу әдістері 27
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Қолданылатын төсеніштер және оларды тазалау әдістері 32
2.2 Оксидті жұқа жабындыларды дайындаудың әдістемесі 33
2.3 Алынған оксидті жұқа жабындылардың қасиеттерін зерттеуге арналған тәжрибелік қондырғылар 34
3 ЗЕРТТЕУЛЕРДІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ТАЛҚЫЛАУЛАР
3.1 Синтезделген үлгілердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу 37
3.2 Золь .гель әдісімен алынған оксидті қабыршақтардың оптикалық қасиеттерін зерттеу 41
ҚОРЫТЫНДЫ 44
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 45
ҚОСЫМША А
Жарияланған мақалалар тізімі
48
Наноқұрылымды материалдар өзінің бірегей қасиеттерінің арқасында қазіргі материалтануда алдыңғы орынды алады. Дәннің өте кішкентай өлшемі бірегей физикалық, химиялық, механикалық және т.б. қасиеттерінің өзгерісіне әкеледі, сонымен қатар материалтану, қатты дене физикасы, биология және де перспективті технология саласындағы мамандардың қызығушылығын арттыруда.
АIIВVI негізіндегі шалаөткізгіштер көлемді материал ретінде және жұқа қабықшалар ретінде қолданылады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы азайған сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен ерекшелене береді. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы бөлігінде кванттық механикаға тән қасиеттерді байқауға болады. Асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа қабыршақты технология негізінде жасалуда. Осы себепті жұқа қабыршақтардың технологиясы соңғы уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
ZnO негізіндегі наноқұрылымды материалдарды оптоэлектроникада, газдық датчиктерде, сенсорларда, күн энергетикасы мен күн элементтерінде, жылу элементтері мен каталитикалық реакторларда және аккумляторларда қолдану перспективті болуымен кең зерттеліп жатыр. ZnO қабықшасы жоғары каталитикалық қасиеттерге және электр өткізгіштікке ие, бөлме температурасында ультракүлгін аумақта эффективті сәуле шығара алады, көрінетін диапазонда жоғары мөлдірлігімен сипатталады. Ал мөлдір ZnO қабықшаларын алуда ең қарапайым әрі тиімді әдіс золь-гель технологиясы болып табылады.
Золь-гель әдісінің негізі зольді алып, оны соңынан гельге айналдыру болып табылады. Золь-гель әдісі негізгі үш сатыдан тұрады: алкоксид ерітінділерін M(OR)x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W және т.б.) жасау, олардың гидролизбен каталитикалық байланысы және гидролизбен полимеризациялы конденсациялануы. Нәтижеде, оксидті полимер (гель) түзіледі, одан кейін жуылып, кептіріледі және термиялық өңделеді. Золь-гель әдісінің негізгі артықшылығы бастапқы компоненттердің жоғары дәрежеде гомогенизациясы болып табылады. Бұған бастапқы заттардың тұздары мен оксидтерінің алғашқы ерітіндіде еруі арқылы қол жеткізіледі. Золь-гель әдісі дәстүрлі синтездермен салыстырғанда синтездің оңай технологиялық схемасымен ерекшеленеді
АIIВVI негізіндегі шалаөткізгіштер көлемді материал ретінде және жұқа қабықшалар ретінде қолданылады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы азайған сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен ерекшелене береді. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы бөлігінде кванттық механикаға тән қасиеттерді байқауға болады. Асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа қабыршақты технология негізінде жасалуда. Осы себепті жұқа қабыршақтардың технологиясы соңғы уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
ZnO негізіндегі наноқұрылымды материалдарды оптоэлектроникада, газдық датчиктерде, сенсорларда, күн энергетикасы мен күн элементтерінде, жылу элементтері мен каталитикалық реакторларда және аккумляторларда қолдану перспективті болуымен кең зерттеліп жатыр. ZnO қабықшасы жоғары каталитикалық қасиеттерге және электр өткізгіштікке ие, бөлме температурасында ультракүлгін аумақта эффективті сәуле шығара алады, көрінетін диапазонда жоғары мөлдірлігімен сипатталады. Ал мөлдір ZnO қабықшаларын алуда ең қарапайым әрі тиімді әдіс золь-гель технологиясы болып табылады.
Золь-гель әдісінің негізі зольді алып, оны соңынан гельге айналдыру болып табылады. Золь-гель әдісі негізгі үш сатыдан тұрады: алкоксид ерітінділерін M(OR)x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W және т.б.) жасау, олардың гидролизбен каталитикалық байланысы және гидролизбен полимеризациялы конденсациялануы. Нәтижеде, оксидті полимер (гель) түзіледі, одан кейін жуылып, кептіріледі және термиялық өңделеді. Золь-гель әдісінің негізгі артықшылығы бастапқы компоненттердің жоғары дәрежеде гомогенизациясы болып табылады. Бұған бастапқы заттардың тұздары мен оксидтерінің алғашқы ерітіндіде еруі арқылы қол жеткізіледі. Золь-гель әдісі дәстүрлі синтездермен салыстырғанда синтездің оңай технологиялық схемасымен ерекшеленеді
1. Антоненко С.В. Технология тонких пленок: Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. – 104 с.
2. Под ред. Майссел Л. Глэнг Р. Технология тонких пленок (справочник). Нью – Йорк .1970. пер с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 1. М., «Сов. радио», 1977, 664 с.
3. Под ред. Майссел Л. Глэнг Р. Технология тонких пленок (справочник). Нью – Йорк .1970. пер с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 2. М., «Сов. радио», 1977, 778 с.
4. Шретер Ю.Г. Ребане Ю.Т. Зыков В.А. Сидоров В.Г. Широкозонные полупроводники. — СПб.: Наука, 2001.
5. Сергейченко А.В., Шевченок А.А. Материаловедение и технология тонкопленочных структур. – Минск: БНТУ, 2009. – 80с.
6. Дубровский В.Г. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур. — СПб., 2006. — 350 с.
7. Редькин А.Н. Контролируемый газофазный синтез наноструктур для наноэлектроники, фотоники и микросистемной техники. Черноголовка 2012 г.
8. Семченко А.В., Сидский В.В., Залесский В.Б., Малютина – Бронская В.В. Золь–гель синтез активных слоев ZnO:Al:Re3+ солнечных элементов. УО«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»
ул. Советская, 104, Гомель, 246019, Беларусь. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси пр. Независимости, 68, Минск, 220072, Беларусь.
9. McGlynn E. Effect of polycrystallinity on the optical properties of highly oriented ZnO grown by pulsed laser deposition / E. McGlynn, J. Fryar, G. Tobin // Thin Solid Films. – 2004. – Vol. 485, №1–2. – P. 330–335.
10. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур: монография.–М.: "Издательство Машиностроение-1", 2007. – 316 с. – 400 экз. – ISBN 978-5-94275-365-8.
11. Kamalasanan, M.N.Sol-gel synthesis of ZnO thin films / M.N. Kamalasanan, S. Chandra // Thin Solid Films. – 1996. – Vol. 288. – P. 112–115.
12. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. (Под ред. Ю.Д. Третьякова). М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.
13. Залесский В.Б., Леонова Т.Р., Гончарова О.В., Викторов И.А., Гременок В.Ф., Зарецкая Е.П. Получение тонких пленок оксида цинка методом реактивного магнетронного распыления и исследование их электрических и оптических характеристик.
14. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2007. 255 с.
15. Li Y., Xu L., Li X., Shen X., Wang A. Effect of aging time of ZnO sol on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by sol–gel method. // Applied Surface Science. 2010. V. 256. P. 4543–4547.
16. Liu Z., Jin Z., Li W., Qiu J. Preparation of ZnO porous thin films by sol–gel method using PEG template. // Materials Letters. 2005. V. 59. P. 3620 – 3625
17. Wang D., Zhou J., Liu G. The microstructure and photoluminescence of Cu-doped ZnO nano-crystal thin films prepared by sol–gel method. // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 487. P. 545–549.
18. Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Гременок В.Ф., Теруков Е.И., Байрамов Б.Х., Song Y.W. Фоточувствительность тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2/Mo, полученных на различных подложках. – Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия
19. Копач В.Р., Клочко Н.П., Хрипунов Г.С., Мягченко Ю. А., Мельничук Е.Е., Клепикова Е.С., Любов В.Н., Копач А.В. Антиотражающие покрытия из электроосажденных массивов оксида цинка для солнечных элементов. – Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, г. Киев, Украина.
20. Н. А. Шабанова П. Д. Саркисов. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема.
21. Мухаммед Абид Аль Карим. Структурные и оптические свойства солнечных элементов на основе пленок ZnO и AlN. – Сумы 2012.
22. Sunil K. Arya, ShibuSaha, Jaime E. Ramirez-Vick, Vinay Gupta, ShekharBhansali, Surinder P. Singh. Recent advances in ZnO nanostructures and thin films for biosensor applications: Review // AnalyticaChimicaActa. -2012. –V.737. –P. 1– 21.
23. Ahmad M., Pan C., Luo Z., Zhu J., Single A. ZnO Nanofiber-Based Highly Sensitive Amperometric Glucose Biosensor // Phys J., Chem. C . -2010. –V. 114. –P. 9308.
24. Gu B., Xu C., Yang C., Liu S., Wang M., ZnO quantum dot labeled immunosensor for carbohydrate antigen 19-9. // Biosens. Bioelectron. -2011. –V. 26. –P. 2720.
25. Fulati A., Ali S.M.U., Asif M.H., Alvi N.u.H., Willander M., Brannmark C., Stralfors P., Borjesson S.I., Elinder F., Danielsson B., An intracellular glucose biosensor based on nanoflakeZnO // Sens. Actuat. B: Chem. -2010. –V. 150. –P.673.
26. Lupan O., Ursaki V.V., Chai G., Chow L., Emelchenko G.A., Tiginyanu I.M., Gruzintsev A.N., Redkin A.N.. Selective hydrogen gas nanosensor using individual ZnO nanowire with fast response at room temperature // Sensors and Actuators B. -2010. –V. 144. –P. 56–66.
27. Пул Ч. Оуэнс Ф. Мир материалов и технологий. пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина. - Москва : Техносфера, 2004. - 327 с.
28. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М. Основы нанотехнологии втехнике. – Изд. «Академия» - 2011. – 240с.
29. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию.: пер. с японск. – 2 – е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 134 с. : ил. – (Нанотехнология)
30. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. Москва: Техносфера, 2007.
31. Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Бикбаева З.Г. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий – Томск: Изд-во Томского политехнического университе- та, 2008. – 212 с.
32. Савченко А.Г. Наноматериалы и нанотехнологии: современное со- стояние и перспективы // Оборудование, технологии и аналитиче- ские системы для материаловедения, микро и наноэлектроники: Труды 5 Российско- японского семинара .– МиСиС, 18-19 июня 2007 г., Москва, 2007.– Т.1.– С.133–200.
33. Yagi K., Ogawa S., Tanishiro Y. In: Reflection High-Energy Electron Diffraction and Reflection Electron Imaging of Surfaces, Eds. P. K. Larsen, P. J. Dobson, N.Y.: Plenum Press, 1987, p. 285
34. Williams D. B., Carter C. B. Transmission Electron Microscopy (I Basic, II Diffraction, III Imaging, IV Spectrometry). N.Y.: Plenum Press, 1996
35. Practical Electron Microscopy and Its Application to Materials (Supervisor K. Maruyama, Editor-in-chief K. Nakai), Iron Steel Institute of Japan and Japan Institute of Metals, 2002.
36. Горелик С.С, Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно- оптический анализ. М.: МИСИС, 2001. 328 с
37. Бушуев В.А., Петраков А.П. Особенности формирования спектров трехкристальной рентгеновской дифрактометрии., Сыктывкар: Изд.СГУ, 1997
38. Д.Ю.Пущаровский. Основные элементы кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей. Электронная версия учебного пособия и курса лекций. http://nature.web.ru/db/msg.html
2. Под ред. Майссел Л. Глэнг Р. Технология тонких пленок (справочник). Нью – Йорк .1970. пер с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 1. М., «Сов. радио», 1977, 664 с.
3. Под ред. Майссел Л. Глэнг Р. Технология тонких пленок (справочник). Нью – Йорк .1970. пер с англ. под ред. М.И. Елинсона, Г.Г. Смолко. Т. 2. М., «Сов. радио», 1977, 778 с.
4. Шретер Ю.Г. Ребане Ю.Т. Зыков В.А. Сидоров В.Г. Широкозонные полупроводники. — СПб.: Наука, 2001.
5. Сергейченко А.В., Шевченок А.А. Материаловедение и технология тонкопленочных структур. – Минск: БНТУ, 2009. – 80с.
6. Дубровский В.Г. Теория формирования эпитаксиальных наноструктур. — СПб., 2006. — 350 с.
7. Редькин А.Н. Контролируемый газофазный синтез наноструктур для наноэлектроники, фотоники и микросистемной техники. Черноголовка 2012 г.
8. Семченко А.В., Сидский В.В., Залесский В.Б., Малютина – Бронская В.В. Золь–гель синтез активных слоев ZnO:Al:Re3+ солнечных элементов. УО«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»
ул. Советская, 104, Гомель, 246019, Беларусь. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси пр. Независимости, 68, Минск, 220072, Беларусь.
9. McGlynn E. Effect of polycrystallinity on the optical properties of highly oriented ZnO grown by pulsed laser deposition / E. McGlynn, J. Fryar, G. Tobin // Thin Solid Films. – 2004. – Vol. 485, №1–2. – P. 330–335.
10. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур: монография.–М.: "Издательство Машиностроение-1", 2007. – 316 с. – 400 экз. – ISBN 978-5-94275-365-8.
11. Kamalasanan, M.N.Sol-gel synthesis of ZnO thin films / M.N. Kamalasanan, S. Chandra // Thin Solid Films. – 1996. – Vol. 288. – P. 112–115.
12. Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы. (Под ред. Ю.Д. Третьякова). М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.
13. Залесский В.Б., Леонова Т.Р., Гончарова О.В., Викторов И.А., Гременок В.Ф., Зарецкая Е.П. Получение тонких пленок оксида цинка методом реактивного магнетронного распыления и исследование их электрических и оптических характеристик.
14. Максимов А.И., Мошников В.А., Таиров Ю.М., Шилова О.А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. СПб.: ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2007. 255 с.
15. Li Y., Xu L., Li X., Shen X., Wang A. Effect of aging time of ZnO sol on the structural and optical properties of ZnO thin films prepared by sol–gel method. // Applied Surface Science. 2010. V. 256. P. 4543–4547.
16. Liu Z., Jin Z., Li W., Qiu J. Preparation of ZnO porous thin films by sol–gel method using PEG template. // Materials Letters. 2005. V. 59. P. 3620 – 3625
17. Wang D., Zhou J., Liu G. The microstructure and photoluminescence of Cu-doped ZnO nano-crystal thin films prepared by sol–gel method. // Journal of Alloys and Compounds. 2009. V. 487. P. 545–549.
18. Рудь В.Ю., Рудь Ю.В., Гременок В.Ф., Теруков Е.И., Байрамов Б.Х., Song Y.W. Фоточувствительность тонкопленочных солнечных элементов ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se2/Mo, полученных на различных подложках. – Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия
19. Копач В.Р., Клочко Н.П., Хрипунов Г.С., Мягченко Ю. А., Мельничук Е.Е., Клепикова Е.С., Любов В.Н., Копач А.В. Антиотражающие покрытия из электроосажденных массивов оксида цинка для солнечных элементов. – Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, г. Киев, Украина.
20. Н. А. Шабанова П. Д. Саркисов. Основы золь-гель технологии нанодисперсного кремнезема.
21. Мухаммед Абид Аль Карим. Структурные и оптические свойства солнечных элементов на основе пленок ZnO и AlN. – Сумы 2012.
22. Sunil K. Arya, ShibuSaha, Jaime E. Ramirez-Vick, Vinay Gupta, ShekharBhansali, Surinder P. Singh. Recent advances in ZnO nanostructures and thin films for biosensor applications: Review // AnalyticaChimicaActa. -2012. –V.737. –P. 1– 21.
23. Ahmad M., Pan C., Luo Z., Zhu J., Single A. ZnO Nanofiber-Based Highly Sensitive Amperometric Glucose Biosensor // Phys J., Chem. C . -2010. –V. 114. –P. 9308.
24. Gu B., Xu C., Yang C., Liu S., Wang M., ZnO quantum dot labeled immunosensor for carbohydrate antigen 19-9. // Biosens. Bioelectron. -2011. –V. 26. –P. 2720.
25. Fulati A., Ali S.M.U., Asif M.H., Alvi N.u.H., Willander M., Brannmark C., Stralfors P., Borjesson S.I., Elinder F., Danielsson B., An intracellular glucose biosensor based on nanoflakeZnO // Sens. Actuat. B: Chem. -2010. –V. 150. –P.673.
26. Lupan O., Ursaki V.V., Chai G., Chow L., Emelchenko G.A., Tiginyanu I.M., Gruzintsev A.N., Redkin A.N.. Selective hydrogen gas nanosensor using individual ZnO nanowire with fast response at room temperature // Sensors and Actuators B. -2010. –V. 144. –P. 56–66.
27. Пул Ч. Оуэнс Ф. Мир материалов и технологий. пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина. - Москва : Техносфера, 2004. - 327 с.
28. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М. Основы нанотехнологии втехнике. – Изд. «Академия» - 2011. – 240с.
29. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию.: пер. с японск. – 2 – е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. – 134 с. : ил. – (Нанотехнология)
30. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. Москва: Техносфера, 2007.
31. Хасанов О.Л., Двилис Э.С., Бикбаева З.Г. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий – Томск: Изд-во Томского политехнического университе- та, 2008. – 212 с.
32. Савченко А.Г. Наноматериалы и нанотехнологии: современное со- стояние и перспективы // Оборудование, технологии и аналитиче- ские системы для материаловедения, микро и наноэлектроники: Труды 5 Российско- японского семинара .– МиСиС, 18-19 июня 2007 г., Москва, 2007.– Т.1.– С.133–200.
33. Yagi K., Ogawa S., Tanishiro Y. In: Reflection High-Energy Electron Diffraction and Reflection Electron Imaging of Surfaces, Eds. P. K. Larsen, P. J. Dobson, N.Y.: Plenum Press, 1987, p. 285
34. Williams D. B., Carter C. B. Transmission Electron Microscopy (I Basic, II Diffraction, III Imaging, IV Spectrometry). N.Y.: Plenum Press, 1996
35. Practical Electron Microscopy and Its Application to Materials (Supervisor K. Maruyama, Editor-in-chief K. Nakai), Iron Steel Institute of Japan and Japan Institute of Metals, 2002.
36. Горелик С.С, Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно- оптический анализ. М.: МИСИС, 2001. 328 с
37. Бушуев В.А., Петраков А.П. Особенности формирования спектров трехкристальной рентгеновской дифрактометрии., Сыктывкар: Изд.СГУ, 1997
38. Д.Ю.Пущаровский. Основные элементы кинематической теории рассеяния рентгеновских лучей. Электронная версия учебного пособия и курса лекций. http://nature.web.ru/db/msg.html
Андатпа
Жазылған дипломдық жұмыс 48 беттен, 3 кестеден, 9 суреттен және 38
әдебиеттер тізімінен тұрады.
Жұмыстың мақсаты: наноқұрылымды материалдарды синтездеудің золь – гель
әдісі арқылы ZnO – ның жұқа қабыршақтарын алудың технологиялық шарттарын
меңгеру, олардың морфологиялық және оптикалық қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: ZnO – ның жұқа қабыршақтары.
Кілт сөздер: мырыш оксиді, золь – гель әдісі, жұқа қабыршақтар,
төсеніштер, микроскоп, өткізу коэффициенті, шағылу коэффициенті, жұтылу
коэффициенті.
Берілген дипломдық жұмыс наноматериалдарды синтездеудің золь – гель
әдісі арқылы ZnO – ның жұқа қабыршақтарын алудың технологиялық шарттарын
меңгеру және олардың қасиеттерін зерттеу тақырыбына арналған. Тәжіриебе
жүргізу және зерттеулер жасау барысында мынандай құрылғылар: ARIUM 611 DI
(SartoriusGroup) суды тазарту жүйесі, аналитикалық таразы CPA225D – OCE
(SartoriusGroup), SNOL 8.21100(SNOL) муфельді пеші, UV-3600 (Shimadzu)
спектрофотометрі, Lambda 35 (Perkin Elmer) спектрофотометрі, Quanta 200i 3D
скнаерлеуші электронды микроскопы (FEI Company, АҚШ, 2008), оптикалық
микроскоп – DM 6000 M (Leica) пайдаланылды.
Дипломдық жұмыста қойылған мақсаттарға жету үшін мынандай тапсырмалар
орындалды:
• Золь – гель әдісі арқылы ZnO – ның мөлдір жұқа қабыршақтарын алу;
• Алынған ZnO – ның жұқа қабыршақтарының оптикалық қасиеттерін
спектрдің көрінетін аумағында жұтылу коэффициентіне, шағылу және өткізу
коэффициенттеріне спектрлік талдау жүргізу;
• ZnO – ның жұқа қабыршақтарының беттік морфолгиясын оптикалық және
сканерлеуші – электрондық микроскоптпрдың (СЭМ) көмегімен зерттеу.
Жасалған жұмыстың нәтижелері:
• Жұмыс барысында золь – гель әдісі арқылы ZnO – ның мөлдір жұқа
қабыршақтары алынды;
• Алынған ZnO – ның мөлдір жұқа қабыршақтардың оптикалық және
морфологиялық қасиеттері зерттелді.
РЕФЕРАТ
Данная дипломная работа содержит 3 таблицы, 9 рисуноков, 38 источников
литepaтypы и изложена на 48 страницах.
Цель работы: получение тонких пленок ZnO золь – гель методом синтеза,
отработка технологических условий роста пленок, исследование их
морфологических и оптических свойств.
Объекты исследования: тонкие пленки ZnO.
Ключевые слова: оксид цинка, золь – гель метод, тонкие пленки,
микроскоп, коэффициент пропускания, коэффициент отражения, коэффициент
поглощения.
В этой дипломной работе рассматривается обработка технологических
условий роста тонких пленок ZnO, полученных золь – гель методом синтеза, и
исследование их свойств. В ходе эксперимента для проведения
исследовательских работ было использовано современное измерительное
оборудование, в том числе: система очистки воды ARIUM 611 DI
(SartoriusGroup), аналитические весы CPA225D – OCE (SartoriusGroup),
муфельная печь SNOL 8.21100(SNOL), спектрофотометр UV-3600 (Shimadzu),
спектрофотометр Lambda 35 (Perkin Elmer), сканирующий электронный микроскоп
Quanta 200i 3D (FEI Company, АҚШ, 2008), оптический микроскоп DM 6000 M
(Leica).
Для достижeния цели были поставлены слeдующие задачи:
• получение тонких прозрачных пленок ZnO золь – гель методом;
• исследование оптических свойств тонких пленок ZnO, полученных золь –
гель методом, с помощью измерения и анализа спектров поглощения,
отражения и пропускания в видимой области спектра;
• исследование морфологии поверхности пленок ZnO с помощью оптического и
сканирующего электронного микроскопов(СЭМ).
Результаты работы:
• в ходе работы золь – гель методом были получены тонкие прозрачные
пленки ZnO;
• были исследованы морфология и оптические свойства полученных образцов
ZnO.
ABSTRACT
This thesis contains 3 tables, 9 figures, 38 sources of references and
is represented on 48 pages.
The purpose of the work: receiving of ZnO thin films by sol – gel
method, processing of technological growth conditionsof synthesized films,
research of their morphological and optical properties.
Research objects: ZnO thin films.
Keywords: zinc oxide, sol-gelmethod, thin films, microscope,
transmission coefficient, reflection coefficient, absorption coefficient.
Treatment of technological growth conditions of ZnO thin films
prepared by sol – gel method and research of their properties are
considered in this thesis. The modern measuring equipment, such as system
of water purification ARIUM 611 DI (SartoriusGroup), analytical scales
CPA225D – OCE (Sartorius Group), mufflefurnace SNOL 8.21100 (SNOL),
spectrophotometer UV-3600 (Shimadzu), spectrophotometer Lambda 35 (Perkin
Elmer), scanning electronic microscope Quanta 200i 3D (FEI Company, ASh,
2008), optical microscope DM 6000 M (Leica), was used during experiment for
carrying out research works.
To achieve the purpose were set up the following tasks:
• receiving transparent ZnO thin films by sol – gel method;
• the measurement and analysis of absorption, reflectionandtransmission
spectra in the visible region to research optical properties of ZnO
thin films, synthesized bysol – gel method;
• research of morphology of ZnO films surface by optical and scanning
electronic microscopes (SEM).
Results of work:
• transparent ZnO thin films were prepareby sol– gel method;
• the morphology and optical properties of synthesized ZnO samples were
investigated.
МАЗМҰНЫ
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР 7
КІРІСПЕ 8
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы 9
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері 14
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь – гель 18
әдісімен алу
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO –ның қасиеттері және 19
қолданылу аймағы
1.5 Наноқұрылымды материалдарды зерттеу әдістері 27
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Қолданылатын төсеніштер және оларды тазалау әдістері 32
2.2 Оксидті жұқа жабындыларды дайындаудың әдістемесі 33
2.3 Алынған оксидті жұқа жабындылардың қасиеттерін зерттеуге 34
арналған тәжрибелік қондырғылар
3 ЗЕРТТЕУЛЕРДІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ТАЛҚЫЛАУЛАР
3.1 Синтезделген үлгілердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу 37
3.2 Золь –гель әдісімен алынған оксидті қабыршақтардың оптикалық 41
қасиеттерін зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ 44
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 45
ҚОСЫМША А
Жарияланған мақалалар тізімі 48
қысқартулар ЖәНЕ ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
дипломдық жұмыста келесі қысқартулар мен шартты белгілер қолданылды.
ZnO – мырыш оксиді
ББЗ – беттік белсенді заттар
УК – ультракүлгін
КЭТ – күн энергиясын түрлендіргіш
ДНҚ – дезокирибоза нуклеин қышқылы
рН – сутектік көрсеткіш
ИҚ – инфрақызыл
БӨҚ – бақылағыш – өлшегіш қондырғылар
СЭМ – сканерлеуші – электронды микроскоп
АКМ – атомдық – күштік микроскоп
К – тозаңдану коэффициенті
ИТ – иондық тозаңдандыру
Еөтк – өткелдік энергия
СТОМ – сканерлеуші – туннельдік оптикалық микроскоп
ЖЭМ – жарықтандырушы электрондық микроскоп
Кіріспе
Наноқұрылымды материалдар өзінің бірегей қасиеттерінің арқасында
қазіргі материалтануда алдыңғы орынды алады. Дәннің өте кішкентай өлшемі
бірегей физикалық, химиялық, механикалық және т.б. қасиеттерінің өзгерісіне
әкеледі, сонымен қатар материалтану, қатты дене физикасы, биология және де
перспективті технология саласындағы мамандардың қызығушылығын арттыруда.
АIIВVI негізіндегі шалаөткізгіштер көлемді материал ретінде және жұқа
қабықшалар ретінде қолданылады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы азайған
сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен ерекшелене
береді. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы бөлігінде кванттық механикаға тән
қасиеттерді байқауға болады. Асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа
қабыршақты технология негізінде жасалуда. Осы себепті жұқа қабыршақтардың
технологиясы соңғы уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
ZnO негізіндегі наноқұрылымды материалдарды оптоэлектроникада, газдық
датчиктерде, сенсорларда, күн энергетикасы мен күн элементтерінде, жылу
элементтері мен каталитикалық реакторларда және аккумляторларда қолдану
перспективті болуымен кең зерттеліп жатыр. ZnO қабықшасы жоғары
каталитикалық қасиеттерге және электр өткізгіштікке ие, бөлме
температурасында ультракүлгін аумақта эффективті сәуле шығара алады,
көрінетін диапазонда жоғары мөлдірлігімен сипатталады. Ал мөлдір ZnO
қабықшаларын алуда ең қарапайым әрі тиімді әдіс золь-гель технологиясы
болып табылады.
Золь-гель әдісінің негізі зольді алып, оны соңынан гельге айналдыру
болып табылады. Золь-гель әдісі негізгі үш сатыдан тұрады: алкоксид
ерітінділерін M(OR)x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W және т.б.)
жасау, олардың гидролизбен каталитикалық байланысы және гидролизбен
полимеризациялы конденсациялануы. Нәтижеде, оксидті полимер (гель)
түзіледі, одан кейін жуылып, кептіріледі және термиялық өңделеді. Золь-гель
әдісінің негізгі артықшылығы бастапқы компоненттердің жоғары дәрежеде
гомогенизациясы болып табылады. Бұған бастапқы заттардың тұздары мен
оксидтерінің алғашқы ерітіндіде еруі арқылы қол жеткізіледі. Золь-гель
әдісі дәстүрлі синтездермен салыстырғанда синтездің оңай технологиялық
схемасымен ерекшеленеді
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы
Қазіргі таңда жартылай өткізгішті материалтанудың басты мақсаттарының
бірі – қолданыста бар жартылайөткізгішті құрылғылардың қасиеттерінен
әлдеқайда жоғары қасиеттерге ие аса жаңа қондырғыларды жасап шығару болып
отыр. Монокристалды гетероқұрылымдарды жұқа жабынды күйінде алу олардың
қолданыс аумағының кеңеюіне жол ашады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы
азайған сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен
ерекшелене береді. Осы себепті жұқа қабыршақтардың технологиясы соңғы
уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
Технология деп – қажетті нәтижеге қол жеткізу барысында қолданылатын
әдістер мен қондырғылардың сабақтастығын айтамыз. Ал жұқа жабындылардың
технологиясы деп – сол қабыршақтарды алудың әдістерінің және сол үшін
қолданылатын қондырғылардың сабақтастығын түсінсек болады. Сонымен қатар
осы қабыршақтарды алу шарттары , қабыршақтардың қасиеттреі мен
параметрлерін зерттеу әдістерін де жұқа жабындылардың технологиясына
жатқызсақ болады [1].
Жабынды – заттардың конденсирленген жұқа қабаты. Жұқа жабындыны
төсеніш бетіне қондырылған тұнбалық қабаттармен және ұнтақтармен
шатыстырмау өте маңызды. Себебі олар бір бірімен байланыспаған жеке – жеке
бөлшектерден тұрады. Жұқа жабындылар – қалыңдығы бірнеше нм – ден 100 нм
– ге дейінгі аумақта жататын қабыршақтар. Қалыңдығы одан асатын болса
қабыршақ қалың деп аталады. Жұқа қабыршақтар көлемді заттардың қасиеттеріне
ие. Бірақ құрылымындағы бөлшектердің өлшемдерінің аздығы бұл материалдардың
қасиеттерінің жоғарылауына себеп болады. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы
бөлігінде кванттық механикаға тән қасиеттерді байқауға болады. Сондықтан
асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа қабыршақты технология негізінде
жасалады [1-2].
Жұқа қабыршақтардың қандай да бір нақты белгіленген классификациясы
жоқ. Бірақ түсінуді жеңілдету үшін оларды қалыңдығына, агрегаттық күйіне,
кристалдық құрылымына, химиялық байланысына, қасиеттеріне, өңдеу
жолдарына тағы басқа қасиеттеріне байланысты жіктеуге болады.
• Қалыңдығы бойынша әдетте нано (0,1 ÷ 100 нм) және субмикрондық
(0,1 ÷ 1 мкм) қабыршақтарға бөледі. Сонымен қатар кейде
ультражұқа (0,1 ÷ 10 нм) қабыршақтар да кездесуі мүмкін .
Олардың қалыңдығы әдетте бірнеше атомдық моноқабаттардан
тұруы мүмкін.
• Агрегаттық күйіне байланысты көбіне конденсирленген қатты немесе сұйық
күйінде болады.
• Құрылымы бойынша монокристалды, поликристалды, шыны тәріздес, аморфты,
керамикалық, полимерлі, сұйық кристалды т.б. болуы мүмкін.
• Кеңістіктік құрылымы бойынша жұқа қабыршақтар қарапайым үш өлшемді,
квазиекі өлшемді – қабат түрінде , квазибір өлшемді – тізбектік,
квазинөл өлшемді – кластерлер түрінде кездесуі мүмкін.
• Біртектілігі бойынша тұтас және көп байланысты – композит күйінде,
дендриттік немесе бағаналық қабыршақ күйінде, түйіршіктелген, кеуекті
күйде де кездесуі мүмкін.
• Химиялық байланыс түріне қарай қарапайым материалдар сияқты металдық,
коваленттік, сутектік, иондық байланыспен байланысқан қабыршақтар болып
бөлінуі мүмкін.
Жұқа қабыршақтарды алуда аса мән берілетін элементтердің бірі
төсеніштер. Төсеніш – қабыршақты отырғызуға арналған объект. Идеалды
жағдайда төсеніш қабыршақпен әсерлеспейді. Бірақ практикалық жағдайда
төсеніш жұқа қабыршақтың қасиеттеріне әсер етуі мүмкін. Төсеніштердің
формасы әдетте тіктөртбұрышты және дөңгелек пластина күйінде кездеседі.
Кей жағдайларда төсеніш формасы цилиндр, лента немесе кез келган өзге
формаларда болуы да мүмкін[1-3].
Төсеніштің негізгі материалдарына мыналар жатады:
• Шыны төсеніштер. Бұл төсеніштер әдетте шыны қалыптасу процессі
кезінде түзіледі. Ең бірінші кезекте шикізаттың өңделуі жүргізіледі.
Негізгі шикізат ретінде оксидті ұнтақтар қолданылады. Содан кейін
конвейерлі пештің бір бөлігінде бастапқы материал шихтамен
араластырылады да , пештің ішінде шыны түзілу процессі жүреді. Шыны
пештің ішінен сұйық ерітінді түрінде шығарылады да, валлдардың
арасынан өткізіледі. Алынған лентаны керек өлшемдегі пластиналарға
бөледі. Кейде ерітінді күйіндегі шыныны тұрақты жылдамдықпен арнайы
колибрлерден өткізеді де, цилиндр күйіндегі стержндерді алады.
Төсеніштер жасайтын шынылардың негізгі түрлеріне кальцилі – натрийлі,
боросиликатты, алюмоселикатты, балқытылған кварц жатады. Шыны
төсеніштер қойылатын бірнеше талаптарға ие және қолдануға ыңғайлы әрі
арзан болғандықтан кең қолданысқа ие.
• Керамикалық төсеніштер. Оларды әдетте керамика технологиясы бойынша
дайындайды. Керамикалық төсеніштерді алу үшін шикізат ретінде
тазартылған оксидтік ұнтарқтар қолданылады. Оларды араластырыады да
үгітуге ұшыратады. Кейде пластификатордың, байланыстырғыштың рөлінде
қолданылатын органикалық компоненттермен араластырады. Соңынан оларды
престеу арқылы қажетті формаға келтіреді немесе құю арқылы лист
күйіндегі шыныларды алып, оларды қажет формаларға кеседі. Осыдан
кейін пластификаторды алып тастау үшін алдын ала 300 – 600
жасытып , соңынан күйдіру жүргізіледі. Рекристаллизация процессі
кезінде майда бөлшектер бірігеді , соның нәтижесінде үлкен кристалдар
өседі. Осы жолмен керамикалық төсеніштер алынады. Кей жағдайда
олардың бетін жұқа шыны қабатпен қаптайды. Ол қабатты беттің
біртексіздігін жоюға арналған қабат деп атайды. Көп жағдайда осындай
төсеніштер ретінде Al2O3, ВеО, BaTiO3 және тағы басқалар.
• Монокристалдық төсеніштер. Мұндай кристалдарды үлкен кристалдарды
қажетті кристаллографиялық ориентациялы пластиналарға бөлу арқылы
алады. Кристалдарды көбіне Чохральский әдісімен өсіреді.
• Металдық төсеніштер. Бұл төсенішті әдетте фольгадан, ленталардан
немесе металдың жұқа пластиналарынан жасайды. Отырғызылатын
қабыршақтың қасиеттері жоғары болуы үшін металл төсеніштің беті
жылтыр әрі тегістелген болуы керек. Сондықтан осындай төсеніштерді
механикалық, химиялық, электрлік әдістермен тегістейді. Кейде
төсеніштер ретінде беткі қабаты жылтыр әрі тегіс болып келетін
металдардың монокристалдары қолданылады. Ондай металдар қатарына W,
V, Ta, Cu және кейбір асыл металдар Au, Pt, Ag, Pd жатады. Асыл
металдарды төсеніш пен қабыршақ арасында химиялық реакция жүру қаупі
болған кезде жиі қолданады. Ал қиын балқитын металдарды
қабыршақтарды жоғары температурада отырғызу кезінде қолданады.
• Полимерлік төсеніштер. Бұл төсеніштерді полимерлердің ленталарынан,
фольгаларынан, пластиналарынан жасайды. Осындай төсеніштер ретінде
көбіне фторопласт, полистирол, нейлон, полиэтилен кей жағдайда
қағаздарды да қолданады.
Төсеніштердің қасиеттері: Төсеніштерді әдетте алынатын қабыршақтардың
қасиеттері барынша жақсы болатындай етіп таңдап алады. Көптеген жағдайда
төсенішті қабыршақты өңдеуге кедергі жасамайтындай етіп таңдап алады.
Төсеніштің бетінің атомдық құрылымы біртекті әрі тегіс және құрылымдық
ақаулары жоқ болуы тиіс. Негізінен төсеніштердің басым көпшілігі өте морт,
бірақ қаттылығы жоғары әрі механикалық әсерлерге және химиялық әсерлерге
тұрақты болып келеді. Асыл металдардан жасалған және полимерлік төсеніштер
химиялық әсерлерге жоғары тұрақтылығымен ерекшеленеді. Монокристалдық
төсеніштерді көбіне эпитаксиалдық түрмен өсетін қабыршақтарды алуда
қолданады. Осыдан байқағанымыздай өсірілетін қабыршақтардың қасиеттері
қолданылатын төсеніштердің қасиеттеріне тікелей байланысты.
Төсенішке қойылатын негізгі талаптардың қатарына мыналар жатады.
• Беттің жазық болуы. Төсеніштің беткі яғни қабыршақ отырғызылатын беті
оның астыңғы бөлігіне параллель болуы тиіс. Бұл литография жасауда
сонымен қатар температурамен өңдеу кезінде тепературалық градиентті
төмендету кезінде маңызды роль атқарады.
• Төсеніште кеуектердің, сызаттардың өзге де кемшіліктердің болмауы.
Бұл алынатын қабыршақтың үзіліссіз, сызатсыз болып қалыптасуына, артық
ластанудың болмауына және кеуектерден артық газдардың бөлінбеуіне
себепші болады.
• Меншікті электр кедергісінің өте жоғары болуы. Бұл қасиет қабыршақты
электр оқшаулау үшін және өлшеу қондырғыларынан әсер болмауы үшін аса
маңызды.
• Диэлектрлік тұрақтылығының жоғары мәнге ие болуы. Бұл талап көбіне тек
ток өткізбейтін төсеніштерге қойылады. Жоғары кернеу берген кезде
қабыршақта пробойдың туындамауына, аса жоғары жиілікті және жоғары
жиілікті сигналдар бергенде электрлік жоғалуды азайту үшін осы қасиеті
өте маңызды.
• Химиялық реагенттердің әсеріне тұрақтылығы. Бұл қасиет литографияға,
травлениеге және қабыршақты химиялық өңдеуге ұшыратқанда өте маңызды.
• Гидрофобтық қасиет немесе суды өзіне жұқтырмау қабілеті. Төсеніштің
бетінде су молекулаларының болмауы аса маңызды. Бұл талап дұрыс
орындалмаған жағдайда алынатын қабыршақтың адгезиясы нашар болып,
вакуумда қабыршақ бетінен су буының көптеп бөлінуіне әкелуі мүмкін.
• Рекристализация және балқу температураларының жоғары болуы. Бұл
жоғарғы температураларда тұрақты қабыршақтарды алуға мүмкіндік береді.
Сонымен қоса бұл талапты сақтау қабыршақта төсеніштің әсерінен фазалық
немесе құрылымдық ауысулардың туындамауы үшін аса мңызды.
• Төсеніштің термиялық ұлғаю коэффициентінің қабыршақтікіне барынша
сәйкес келуі. Бұл қабыршақта термиялық кернеулердің туындамауы үшін
және термоциклдеу кезінеде, шынықтыру барысында, қыздыру кезінде,
күйдіру процесінде қабыршақтың құрылымының бұзылмауына септігін
тигізеді.
• Қабыршақты қызып кетуден сақтау үшін жылуөткізгіштігі тиімді мәнге
ие материалды таңдай білу.
• Термоәсерлерге және термоекрнеулерге тұрақтылығы. Бұл қабыршақтың
жоғары температуралық градиентке төтеп беруіне себепші болады және
пайка, пісіру кезінде, төсеніштер мен қабықшаларды лазерлік
гравировкалауда аса маңызды.
• Механикалық әсерлерге тұрақтылығы майыстыру кезінде, бұрау, кесу,
сындыру кезінде қабыршақтың біртектілігін сақтап қалу үшін аса
маңызды.
• Техникалық өңдеу кезінде сырылуға және үйкелуге тұрақтылық.
• Литографияны дұрыс жүргізу үшін бетінің оптикалық тегіс болуы.
Гетероқұрылымдар жасауда біртекті қабыршақтарды алуда аса маңызды.
• Бағасының төмендігі. Бұл сериялық шығарылымдар жасауда аса маңызды.
Төсеніштерді тазалау әдістері. Төсенішті тазалаудың негізі төсеніш пен
қоспалардың атомдары мен молекуларының арасындағы байланысты үзіуде болып
саналады. Оны мынадай әдістермен жүргізеді.
• Еріткіштердің әсерімен тазалау. (сілтілердің және қышқылдардың сулы
ерітінділермен, органикалық ерітінділермен – спирт, эфирлер, хлорлы
көмірсутектермен CCl4 , ацетон және бензолмен т.б.)
• Булармен немесе газдармен әсер ету. Бұл үшін сілтілердің,
қышқылдардың, еріткіштердің, ұшқыш химиялық реагенттердің булары және
сығылған газ қолданылады.
• Төсенішке ультрадыбыстық толқындармен әсер ету арқылы. Бұл әдіс көп
жағдайда еріткіштермен тазалаумен қатар жүреді. Ультрадыбыстық әсер
саусақтың іздері сияқты ластанулардан тез арылуға көмектеседі. Осы
әдіске ұқсас тағы бір әдіс – Релей толқындарымен әсер ету әдісі. Бұл
әдісте толқындар қатты дененің бетінде таралып, оның ішкі бөліктеріне
енгенде сөніп қалады.
• Беттік – белсенді заттарды қолдану (ББЗ): карбон қышқылының
тұздарымен, сабынмен, спиртпен және тағы басқа. ББЗ аса жоғары беттік
белсенділікке ие. Сондықтан олар фазааралық шекараларда жоғары
адсорбциялану қабілетіне ие. Ол сұйықтықтң беттік керілуін
төмендетеді. Сонының әсерінен төсеніш пен ластаушы қоспалардың
бөлшектерінің арасындағы байланыс үзіледі.
• Қыздыру арқылы тазалау. Төсеніштерді термоөңдеуге ұшырату вакуумда 500
– 1000 температурада жүргізіледі. Бұл өңдеу төсеніште
дегаздалудың жүруін қамтамасыз етеді. Сонымен қоса беттің біртекті
болуына әсерін тигізеді. Дегаздалу – материалдан оның құрамындағы
еріген газдарды және кеуектерден, жарықшалардан, капилярлардан газ
атомдары мен молекулаларын шығарып тастау процесі.
• Өріспен әсер ету арқылы десорбциялау. Өте жоғары кернеулікке ие Е
107 – 108Всм электр өрісімен әсер етку беткі қабатта
адсорбцияланған иондалған бөлшектердің жойылуына әкеледі.
• Беткі қабатқа электрондық, атомдық, иондық, молекулалық сәуле
шоқтарымен әсер ету арқылы десорбциялау.
• Лазерлік сәулелермен әсер ету арқылы тазалау. Төсеніштің бетін
фокустелген лазерлік сәулемен немесе опто – механикалық құрылғылардың
сәулелермен сканерлеу арқылы тазалау. Тазаланумен қатар осы процесс
кезінде төсеніштің ақауларының кейбір бөлігінің булануы және балқуы
әсерінен болатын беттің тегістелуі және дегазация жүреді [2, 4-5].
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері
Жұқа қабыршақтарды алудың жолдарын шартты түрде төрт топқа жіктеуге
болады.
• Физикалық әдістер – қабыршақтарды химиялық реакциялардың салыстырмалы
түрде қатысуынсыз өтетін, вакуумда немесе газдық орталарда жүргізілетін
тозаңдандыру. Бұл әдіс екі негізгі физикалық процестерге негізделеді.
Олар – конденсирленуші материалдың бетінен молекулалардың немесе
атомдардың буланып ұшып шығуы және нысаналардан жоғары энергиялы
бөлшектермен атқылау арқылы атомдарды ұшырып шығару процессі.
• Химиялық әдістер – қабыршақты отырғызу және ары қарайғы өңдеу
процесстері химиялық реакциямен бірге жүретін әдістер. Мұндай химиялық
реакциялар гомогенді де гетерогенді де және гомофазалы да гетерофазалы
да болуы мүмкін. Әдетте бұл процесстер химиялық реакторларда немесе
арнаулы құрылғыларда өтеді. Процесс кезіндегі химиялық реакциялар
сырттан жылумен, жарықпен әсер еткенде басталуы мүмкін.
• Механикалық әдістер – үлгілердің төсенішке механикалық әсерлердің
көмегімен отырғызылуы. Оған мысал ретінде механохимиялық синтезді
келтіруге болады.
• Керамикалық әдіс – жұқа қабыршақтарды керамикалық технология бойынша алу.
Бұл әдіс кезінде оксидті ұнтақтарды күйдіріп, араластырып соңынан жұқа
жабынды қалыптастыру жүргізіледі [2-4,6].
Термиялық тозаңдандыру. Термиялық әдіс, басқаша айтсақ, вакуумдық
булану кезінде заттың вакуумдық ортада қыздырудың әсерінен булануы және
будың төсенішке отырғызылуы жүреді. Жұқа жабындылардың вакуумдық
отырғызылуы негізгі үш процестен құралады.
1. Заттың конденсирленген фазадан газдық фазаға ауысуы;
2. Вакууммдық ортада заттың буының буланушыдан төсенішке қонуы;
3. Будың төсеніш бетіндегі конденсациясы.
Вакуумдық булану әдісі жайлы айтқанда мынандай терминдер мен
процестерді ескеру маңызды: еркін булану – конденсирленген заттың беткі
қабатынан булардың ұшып шығуы; сублимация – затта балқу орын алмай, қатты
күйден бірден газ фазасына көшудің орын алуы; эффузия – изотермиялық
оқшауланған көлем ішінен газдың кішкентай саңылау арқылы шығып кетуі.
Булану кезінде көптеген заттар бастапқы, яғни атомдық немесе молекулалық
күйінде болады. Олардың кейбірі полимер күйінде (Se, Te, As ж.т.б.), ал
кейбірі (NH4Cl, AlN) булану кезінде , керісінше, диссоцияланады.
Бұл әдіс кезінде қыздыру токтың (резистивтік), ИҚ сәулелердің,
лазердің, индукциондық қондырғылардың көмегімен жүзеге асырылады.
Вакумдық булануда қолданылатын аса маңызды компоненттер – вакуумдық
қондырғы, төсеніштер, төсенішті ұстағыштар, бақылағыш – өлшегіш қондырғылар
(БӨҚ) және аппаратуралар. Вакуумдық қондырғылардың мынандай негізгі
түрлері қолданылады.
- Жоғары вакуумдық қондырғы (қысым – 10-6 Торрға дейін) – пластикалық
тығыздандырғышы бар, оңай жиналатын қондырғы. Вакуумды орнатудағы
алдын ала жүргізілетін жұмыстар кезінде алдымен форвакуумдық сорғыш,
одан кейін диффузиондық сорғыш қолданылады. Процессс кезіндегі қысымды
бақылау термопара немесе ионизациондық вакуумметр көмегімен жүзеге
асырылады.
- Аса жоғары вакуумдық қондырғы (қысым – 10-12 Торрға дейін) – металдық
тығыздандырғыштары (In, Ga, күйдірілген мыс) бар шлюздармен
жабдықталған қондырғы. Магниторазрядтық, турбомолекулярлы,
криосорбциялы сорғыштармен жабтықталған. Процесс кезіндегі қысымды
бақылау үшін магниторазрядтық вакумметр қолданылады.
Төсеніш ұстағыштар және төсеніштер. Төсеніш ұстағыштардың атқаратын
функцияларының негізгісіне – төсеніштің қажетті температурасын сақтап тұру.
Оны резистивтік немесе лазерлік қыздырғыштар көмегімен жүзеге асырады.
Бақылауды пирометр жүргізеді. Ол мөлдір емес денелердің спектрдің ИҚ және
оптикалық диапазонында олардың сәуле шығаруы бойынша температурасын
өлшейтін құрылғы.
БӨҚ: вакуумметрлер, буланушы заттың буларын бақылаушы аппаратура,
жабындының қалыңдығын өлшеуші жүйе, қалдық газдардың спектрлерінің
анализаторлары, өсіп жатқан жабындының құрамын және қасиетін бақылайтын әр
түрлі аналитикалық қондырғылар [6-7].
Жабындыларды электрондық сәуле көмегімен синтездеу. Бұл әдіс кезінде
нысана материалын атқылау нәтижесінде бөлшектер көтеріліп, төсеніш бетіне
қонады. Ол үшін электрондар шоғының ағынын энергиясы 5–20кэВ болатындай
етіп үдетеді (кейбір қуатты құрылғыларда энергия 40кэВ – қа дейін жетуі
мүмкін). Электрондар нысанамен әсерлескенде олардың кинетикалық энергиясы
жылулық энергияға түрленеді де, ол энергия нысана материалын қыздыруға және
булануына жұмсалады. Электрондық – сәулелік тозаңдандыру қондырғысы
мынандай компоненттерден тұрады: вакуумдық камера (қысым 10-5 – 10-2 Торр),
электрон шоғының көзі, элкетрон шоқтарын фокустау жүйелері, электрондық
пушка, буландырғышты суытқыш және төсенішті ұстаушы.
Электрондық пушка электрон шоғы көзінен (жоғары температураға дейін
қыздырыған вольфрамдық спираль), анодтан және экраннан тұрады. Катодтан
электрондардың ұшып шығуы термоэлектрондық эмиссия процесі нәтижесінде
жүреді. Электрондық линзалардың және экранның көмегімен электрон шоқтары
қажетті геометриялық формаға келеді. Ал электрондардың энергиясы катод пен
анодтың арасындағы потенциалдар айырымының көмегімен 5 – 20 кэВ–қа
жеткізіледі. Электрондық линзалар және магнит өрісі әсерінен электрон
шоқтары нысанаға дәл бағытталады. Көптеген қондырғыларды магнит өрісі
әсерінен электрон шоқтарының бағыты 900 – қа дейін өзгере алады. Осындай
жүйелерді электрон шоғының траекториясының бағыты өзгертілген жүйе дейді.
Осындай жүйенің болуы электрон пушкасының бетін ластанудан сақтайды. Кей
жағдайда электрон шоқтары нысананың тек бір бөлігі ғана буланатындай етіп
фокусталуы мүмкін.
Қуаты 10–40 кВт – қа жететін ЭСҚ қалың қабыршақтар мен жабындылар
алуда қолданылады. Сонымен қатар бұл әдіс арқылы материалдарды балқытуға
немесе тазалауға болады. Заттың беткі қабатының тазартылуы электрон
шоқтарымен сканерлеу кезінде күйдіру және ақаулардан тазарту арқылы
жүргізіледі.
Иондық тозаңдандыру арқылы жұқа қабыршақтарды алу. ИТ кезінде нысана
иондармен атқыланып, ион мен нысананың беткі қабатындағы бөдшектердің
серпімді соқтығысуы нәтижесінде беткі қабаттан атомдар ұшып шығады. Иондар
жұмысшы газдардың ортасында электрлік разрядтың әсерінен туындайды. Жұмысшы
газдар ретінде көп жағдайда аргон, неон және басқа газдар қолданылады.
Қондырғының жоғары вакуумдық бөлігінде нысана – катод, анод, БӨҚ,
орналастырылады. Қондырғының ішінде алдын ала қысым 10-5 – 10-6 Торр
болатындай тазартылады. Инертті газ жіберілгеннен соң қысым 10-1 – 10-3
Торрға дейін жетеді. Нысанаға 0,5 – 10кВ теріс потенциал , ал анодқа – оң
потенциал беріледі. Электрондардан және жұмысшы газдың иондарынан тұратын
плазма қыза бастайды. Осы пайда болған иондар нысананы атқылай бастайды.
Бастапқы кезде нысананың беткі қабатымен әлсіз байланысқан немесе
адсорбцияланған атомдар ұшып шығады. Нысана материалының толықтай
тозаңдануы түсіп жатқан атомдардың немесе бөлшектердің энергиясы өткелдік
энергиядан (пороговая энергия) жоғары болғанда басталады. Бұл энергияның
мәні (иондар нысанаға перпендикуляр бағытталғанда) жұмысшы газдың
атомдарының массасы нысананың атомдарының массасына жуық болғанда Еөтк
4Н, нысана атомдарының массасы жұмысшы газдардың массасынан артық
болған жағдайда Еөтк 50Н аралығында өзгеруі мүмкін. Мұндағы Н –
нысана атомдарының байланыс энергиясы. Түсіп жатқан бөлшектердің
кинетикалық энергиясы нысананың атомдарымен серпімді соқтығысулар
нәтижесінде тозаңданған атомның энергиясына айналады. Бұл процесс физикалық
иондық тозаңдану деп аталады. Тозаңдандыру эффективті болуы үшін иондардың
массасы нысана атомдарының массасына жуық болуы керек. Сондықтан
тозаңдандыру кезінде гелийді жұмысшы газ ретінде қолдану тиімсіз болады.
Тозаңдану жылдамдығы тозаңдану коэффициентіне К тікелей тәуелді. Тозаңдану
коэффициенті – бір атқылаушы бөлшекке келетін нысананың тозаңданған
атомдары санына тең. К – ның мәні нысананың тазалылығына, оның
температурасына, кристалдық құрылымына, иондардың нысанаға түсу бұрышына
және массасына тәуелді болуы мүмкін.
Егер нысананың бетінде химиялық қоспалар бар болатын болса,
тозаңданудың басында полимеризация және нысананы ластаушы химиялық
реакциялар жүруі мүмкін.
Қабыршақтарды отырғызуды жоғары эффективтілікпен жүргізу үшін
вакуумметрлер, қабыршақтардың қалыңдығын өлшегіш қондырғылар, өсіп келе
жатқан қабыршақтың қасиетін және спасын қадағалайтын анализаторлар
қолданылады. Сонымен қатар нысананың үстіңгі бөлігінде электрондардың
термоэмиссиясын тудыратын қосымша иондық қондырғылар қолдану тиімді
саналады. Көп жағдайда жоғары жиілікті (бірнеше МГц – ке жуық) ион
тудырушылар қолданылады. Олар тек қана өткізгіш беттерді ғана емес, сонымен
қатар диэлектриктерді де тозаңдандыруға мүмкіндік береді. Кей жағдайда
аргон атмосферасында азотпен және оттегімен нитридтер және оксидтер
дайындау үшін реактивті қондырғылар қолданылады. Мысалы, SiO немесе SiO2
алу үшін кремнийді Ar+O2 қоспасының ортасында тозаңдандырады.
Жабындыларды керамикалық әдіспен синтездеу. Жұқа жабындыларды алудың
керамикалық синтезі кезінде оксидті ұнтақтарды қажетті пропорцияда
араластыру, төсенішке ерітіндіні жағу үшін органикалық қоспаларды қосу,
күйдірілген керамикалық жабынды алу үшін термоөңдеуді қолдану сияқты
процестер орын алады.
Бастапқы оксидті ұнтақтар біртекті наноөлшемді бөлшектерден тұрады.
Бөлшектер диірмендер көмегімен немесе үйкеліс әсерінен микрондық және
субмикрондық өлшемге ие болады. Ұнтақтардың одан әрі майдалануы
ультрадыбыстық диспергирлеушілер көмегімен жүзеге асырылады. Жабындылардың
түзілуі жағу арқылы немесе керамикалық красканың және аэрозольдің
отырғызылуы арқылы жүргізіледі. Бұл әдісте оксидтерден бөлек, керметтер –
оксидтермен металдардың қоспалары да қолданылуы мүмкін. Мысалы, оксидтер
ретінде – Al2O3, SiO2, ал металдық компоненттер ретінде – Ni, Cr, Fe
алынады.
Жабындының беткі қабаты плазма мен лазердің әсерімен, тозаңдандыру,
глазурьлеу және эмальдау процестері нәтижесінде беріктендірілуі мүмкін.
Эмаль–электрохимиялық әдіспен отырғызылған шыны тәріздес жабынды. Глазурь –
күйдіру кезінде қалыптасқан шыны тәріздес жабынды.
Кей жағдайда артынша престеу және прокатка жүргізілетін,
ультрадисперсті ұнтақтарды құрғақ түрде отырғызу әдісі қолданылуы да
мүмкін. Бұл жағдайда күйдіру температурасы Т=600–12000С аралығында болады.
Рекристаллизация процесінің нәтижесінде майда кристалдар ірі кристалдарға
айналады. Ұнтақтың жекеленген бөлшектерін күйдіру барысында кеуектер
толығымен жойылып, біртекті керамикалық жабынды пайда болады [5-6, 9-12].
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь – гель әдісімен алу
Наноқұрылымдарды синтездеудің золь –гель технологиясы. Наноөлшемді
материалдарды синтездеуде қолданылатын әрі арзан, әрі қарапайым
технологиялардың бірі – золь – гель технологиясы. Оның алғаш қолданылу
кезеңі XX – ғасырдың 40 – жылдарына жатады. Бірақ ол уақыттары бұл әдіс
кең тарай қоймаған. Тек ХХ – ғасырдың аяғында ғана кең қолданысқа ене
бастады. Золь – гель әдісі – зольды алып, артынша гидролиз және
конденсация, кептіру, термоөңдеу процестерінің нәтижесінде гельге
айналдыру арқылы, яғни суйық дисперсті фазадан тұратын коллойдтық жүйе
түзу арқылы наноматериалдарды алу әдісі. Бұл әдіс – ерітіндіден тұндыру
әдістерінің қатарына жатады. Золь – гель технологиясының бірінші сатысы
кезінде алынатын өнімнің химиялық құрамы қалыптасады. Ол жоғары дисперсті
коллойдтық ерітінді – золь. Тұрақты зольдегі дисперсті фазаның
бөлшектерінің өлшемі 10-9 – 10-6 м болады. Дисперсті фазаның
концентрациясын арттырған кезде коагуляция процесі жүреді. Яғни бөлшектер
арасында байланыстар орын алып, гель түзілу процессі жүреді. Ол золь – гель
технологиясының екінші сатысы [13-17].
Кесте 1 – Золь – гель әдісі арқылы алуға болатын өнім түрлері [14]
Алынатын өнім Сипаттамасы және қасиеттері
Жабындылар Оксидті жабындыларды алудағы жоғары гомогенділік
немесе қабықшалар
Талшықтар Тазалығы (оптикалық талшықтар).Жоғары
температуралық оксидтерден талшықтарды алу
мүмкіндігі
Ұнтақтар Сфералық моноөлшемді бөлшектер алу, күйдірілген
керамикалық массаларды салыстырмалы түрде төменгі
температураларда алу, майдалау процесінің
қатыспауы, құрылымы қарапайым жоғары дисперсті
үнтақты алу мүмкіндігі.
Монолиттер Пласиналар, стержндер, түтікшелер, алу мүмкіндігі
және алу кезіндегі қолданылатын температураның
төмен болуы, тазалығы.
Іші бос сфералар Дейтерий, тритий сияқты ядролық отындардың сыртын
қаптайтын арнайы қаптамалар жасау.
Кеуекті материалдар Катализаторларға арналған төсеніштер, кеуектердің
таралуының жіңішкелігі, яғни кеуектерінің өлшемдері
бірдей болатын материалдар алу мүмкіндігі.
Ормосилалар және Органикалық және бейорганикалық модификаторлары
ормокерлер бар аралас сеткалар жасау.
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO – ның қасиеттері және
қолданылу аймағы
Қазір жартылай өткізгішті элементтер құрылғылар жасауда және
наноматериалдар алуда кеңінен қолданылуда. Әсіресе, қос жартылай өткізгішті
фазалардан тұратын қоспаларға көп қызығушылық туындауда. Жартылай
өткізгішті құрылғылар жасауда қолданылатын қоспаларға көбіне AIIIBV,
AIIBVI, AIVBVI тобында орналасқан элементердің қосындылары жатады.
AIIBVI топтарының элементтерінен тұратын қоспаларға цинк, кадмий және
сынаптың халькогенидтері жатады. Соның ішінен сульфидтерді, селенидтерді,
теллуридтерді ерекше атап көрсетуге болады. AIIBVIтоптарының
элементтерінің қосындылары алмазтектес жартылай өткізгіштер қатарына жатады
және кристалданғанда вюрцит немесе сфалерит құрылымға ие болады. Бұл
қоспаларға ковалентті – ионды химиялық байланыс тән. Қоспадағы иондық
байланыстың құраушысының пайыздық мөлшері 45 – 70% . Иондық байланыстың
AIIIBVтобының элементтерінің қоспаларына қарағанда басым болуы қоспадағы
элементтердің электіртерістілігінің айырмашылығының үлкен болғандығынан
туындайды. Осы топта орналасқан элементтердің атомның орташа массасы өскен
сайын, тыйм салынған аумақтың ені және қоспаның балқу температурасы
төмендейді. Әсіресе, сульфидтердің, селенидтердің, теллуридтердің балқу
температурасы, тыйм салынған аумақтың ені, меншікті кедергісі төмендеп,
электр зарядын тасымалдаушылардың қозғалғыштығы артады.
Бұндай қосылыстардың меншікті кедергісі және электр өткізгіштігінің
түрі олардағы легирлеуші элементке емес, сол қоспа құрамының
стехиометриялық түрден ауытқуынан туындайтын құрылымдық ақауларға тәуелді
болады. Металл құраушысының артық болуы қоспаның электрондық, ал
халькогенид тобының артық болуы кемтіктік өткізгіштікті туындатады.
AIIIBVтобының қоспалары алу жолы күрделі қоспалар қатарына жатады.
Балқу температурасының жоғары болуы жұп құраушы компоненттердің
серпімділік мәндерінің жоғары болуы өте таза монокристаллдарды алуды
қиындатады. Поликристалды халькогенидтерді көбіне ерітіндіден тұндыру
әдісі арқылы (ZnS, CdS ,CdSe) және бастапқы компоненттерді балқыту арқылы
алатын болса (ZnSe, ZnTe, CdTe), монокристлды халькогенидтерді бағытталған
кристализация , ерітіндіден өсіру арқылы немесе газдық фазадан химиялық
тұндыру арқылы алады.
ZnS монокристаллдарын және күйдірілген поликристалдық блоктар ИҚ –
спектр аумағында жоғары мөлдірлікке ие және опто – электрондық құрылғыларда
линзалар ретінде қолданылады. ZnS қабыршақтарының пьезоэлектірлік
қасиетке ие болуы – оларды кейбір акустикалық құрылғыларды жасауда
қолдануға мүмкіндік берді. Цинк сульфиді және кадмий сульфиді көк және
көгілдір сәулелер шығаратын квантоскоп жасауда, УК – сәуле шығаратын
қабылдағыштар жасауда қолданылады.
Цинк селениді фоторезистивтік, фото – және электролюминесценттік
қасиетттерге ие және ИҚ – аумақта жоғары мөлдірлікке ие. Цинк селениді
негізіндегі оптикалық керамиканы опто – электрондық құрылғыларда линзалар
ретінде және кірме терезешелер (входные окна) ретінде қолданады. Ал цинк
теллуриді ZnTe электролюминесценттік және фоторезистивтік қасиеттерге ие
[4].
Осындай жартылай өткізгішті элементтердің қосындысынан тұратын маңызды
қоспалардың бірі – оксидті қоспалар. Оксидті жартылай өткізгіштер – бірі
оттегі, бірі металл болатын бинарлы химиялық қосылыстар. Жартылай
өткізгіштердің бұл тобына Cu2О, CdO, NiO, MnO, Mn3O4, ZnO және тағы
басқалары жатады. Металлдардың барлығының оттегімен қосылысы жартылай
өткізгіштік қасиеттерге ие емес. Оксидті жартылай өткізгіштердің
өткізгіштігі олардағы металл иондарының әр түрлі валенттікке ие бола алуына
байланысты. Оксидті жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісінің мәні 105
– 109 Омм аралығында жатады. Оларда қоспалардың болуы электрлік
қасиеттерге көп әсерін тигізеді. Оксидті жартылай өткізгіштердің алу
технологиясы салыстырмалы түрде қарапайым. Әдетте бұл материалдар
поликристалдар түрінде қолданылады. Тәжірибе жүзінде варисторлар, түзеткіш
және өзге де құрылғылар жасайтын оксидтік қосылыстар кең қолданыс тапқан.
Мысалы, мыстың тотығы Cu2О түзеткіш қондырғылар жасауда қолданылады.
Осындай оксидті қосылыстардың ішінде ең жиі қолданылатыны – мырыш оксиді.
Мырыш оксиді – суда ерімейтін, кристалдық ұнтақ түрінде кездесетін
түссіз зат. Температурамен әсер еткенде түсі ақтан сарыға ауысады. ZnO –
амфотерлі қасиет көрсетеін екі компонентті қоспа. Ол қышқылдармен сонымен
қатар сілтілермен химиялық реакцияға түседі. 1975 кезінде мырыштың
буына және оттегіге ыдырайды. Яғни ZnO өте тұрақты қоспа қатарына жатады.
Мырыш оксидін әдетте ақ ұнтақ болып келетін цинкит минералынан алады.
➢ Кристалдық құрылымы. Мырыш оксиді AIIBVI тобының бинарлы қосылысына
жатады. Мырыш және оттегі атомдарының арасында иондық байланыс пен
коваленттік байланыстың ортасындағы байланыс орнаған. Қалыпты
жағдайда ZnO гексагональды кеңістіктік құрылымға ие. Ал жоғары қысымда
ZnO тасты тұздың құрылымына ие болады.
Сурет 1 – Мырыш оксидінің схемалық – кеңістіктік бейнесі [7]
1 – суретте мырыш оксидінің схемалық – кеңістіктік бейнесі
келтірілген . ZnO құрылымы бір – біріне жанаса кіріскен екі гексагональді
ұяшықтардан құралған. Мырыштың әр бір атомы тетраэдрдің бұрыштарында
орналасқан оттегінің төрт атомымен байланысқан. Суретте с бағыты бойынша
оттегіжәне мырыштың атомдарының кезектесіп орналасқан қабаттарын көруге
болады. Бұл (0001) және (000-1) бағыттары беткі қабаты бойынша оң
және теріс зарядтардың туындауына себеп болады. Кез келген заттың
отырғызу жылдамдығы, өсу кинетикасы, ақаулардың қалыптасуы,
пьезоэлектрлік секілді қасиеттері оның кристалографиялық ориентациясына
тікелей тәуелді. Мырыш оксидінің оны қолданыста кең ететін ерекше
қасиеттері аз емес. Ол бөлме температурасында тыйм салынған аумағының ені
3,37эВ болатын жартылай өткізгіш. Оның экситондарының байланыс энергиясы 60
мэВ. Бұл өзге жартылай өткізгішті қосылыстардың экситондарының энергиясынан
әлдеқайда жоғары болып саналады және УК аумақта 550 - ге дейінгі
температураның өзінде экситондық шашырауды бақылауға мүмкіндік береді.
Мырыш оксидінің бұл қасиеті оны қысқатолқынды оптоэлектроникада қолдануға
мүмкіндік береді. Сонымен қоса қатты денелі жарықтық техникада, ақпарат
жазу тығыздығы өте жоғары жад құрылғыларын жасауда, ақпаратты жіберу және
қабылдау қондырғыларын жасауда қолдануға кең мүмкіндіктер туғызады. Тыйм
салынған аумағының кең болуы себебінен мырыш оксиді барлық көрінетін
аумақта мөлдір болып келеді. Сонымен қоса меншікті ақауларының себебінен
және легирлеудің арқасында ол жоғары электр өткізгіштікке ие бола алады.
Бұл қасиеті оны дисплейлер мен күн элементтерінде мөлдір электрод ретінде
қолдануға ыңғайлы етеді. ZnO – ның тағы бір ерекше қасиеттерінің қатарына
жоғары жылуөткізгіштігін (0,54 ВтсмК), механикалық беріктігін, радиациялық
және химиялық тұрақтылығын, тыйм салынған енін және электрөткізгіштігін
өзгертуге мүмкіндігн, арзандығын жатқызуға болады [1-3].
➢ ZnO – ның меншікті және қоспалы ақаулары, легирлеу. Мырыш оксидінің
люминесценция спектрі электр өткізгіштігінің шамасы және типі секілді
көптеген маңызды қасиеттері оның құрылысындағы меншікті және қоспалы
ақауларға байланысты. ZnO–ның қарапайым формуласына қарамастан оның
меншікті ақаулары өте күрделі болып келеді. Мырыш оксидінің құрамында
әр түрлі ионизация энергиясына ие көптеген меншікті ақаулары бар. 2 –
суретте мырыш оксидінің меншікті ақауларының энергетикалық деңгейлері
көрсетілген.
Сурет 2 – ZnO – ның меншікті ақауларының энергетикалық деңгейлері [7]
Мұндағы , , ақаулары донорлық, ал
ақаулары акцепторлық болып саналады. Түйін арасында орналасқан
мырыш және оттегілік вакансиялар көбіне иондық ақаулар типіне жатқызылады.
Кез келген өзге жартылай өткізгіштегі секілді мырышта да ақаулардың
түзілуіне қоспалы атомдар көп әсерін тигізеді. n – типті өткізгіштікке ие
ZnO алу үшін III – топтың элементтерімен (Al, Ga, In) легирлесек
жеткілікті. Олар мырыштың торына оңай орналасып, донорлардың рөлін
атқарады. Ал акцепторлық қоспалар ретінде көбіне I және V – топтардың
элементтерін енгізсек болады.
➢ ZnO – ның элeктрлiк қaсиeттeрi. Легирленбеген мырыш оксиді
электрондық өткізгіштікке ие. Қалыпты жағдайда оның электр
өткізгіштігі тек оның меншікті және қоспалы ақауларына ғана тәуелді.
Ақаулардың электрөткізгіштікке әсері олардың концентрациясына ғана
емес сонымен қоса қаншалықты төменгі энергетикалық деңгейде
орналасқанына да байланысты. ZnO – да акцепторлық ақаулардың түзілуіне
көп энергия жұмсалады. Түзілу энергиясының аздығына байланысты мырыш
оксидінде нүктелік ақаулардың мөлшері көп болуы мүмкін. Мырыштың
вакансиясы ZnO – да акцепторлық ақаудың рөлін, ал түйін аралық оттегі
донорлық ақаудың рөлін атқаратыны белгілі болған. Сонымен қоса
донорлық ақаулардың тағы бір себепшісі ретінде сутегінің қоспасын
келтіруге болады. Сутегі майда донорлардың қатарынан саналады, бірақ
кейде ол доминанттық қасиеттерге ие бола алады. Осындай донорлардың
қатарына түйінаралық мырышты жатқызсақ болады, бірақ оның түзілу
энергиясы жоғары мәнге ие. Бұл ақау төменгі температурада қыздыру
кезінде жойылып кететіндіктен тұрақсыз болып саналады. Сондықтан ZnO
– дағы электрндық өткізгіштік негізінен қоспаларға (сутегі және III
топ элементтері) тәуелді екені дәлелденген. Тәжірибе барысында сутегі
ZnO – да түйін аралық позиция ғана емес, тордағы оттегінің орнынана
келіп те орналса алатындығы анықталған.
Сурет 3 - ZnO – ның элeктрлiк қaсиeті [7]
Сутегінің осындай жағдайда орналасуы ZnO – ның n – типтік
өткізгіштігінің термиялық тұрақтылығын қамтамасыз ете алады. Сутегінің ZnO
– ның қасиеттеріне әсері плазмалық өңдеу кезінде тәжірибелік түрде
көрсетілген. Оны 3 – суреттен бақылай аламыз. ZnO – ны оттегілік плазмада
өңдегеннен қарағанда, сутегілік плазмаен өңдеу мырыш оксидінің
неножіпшелерінің өткізгіштігін арттыратындығы көрсетілген.
➢ ZnO – ның физикалық қасиеттері.
▪ Тыйм салынған енінің аумағы – 3,37 эВ
▪ Экситондардың байланыс энергиясы – 60 мэВ
▪ Молекулалыөмассасы – 87,37 гмоль
▪ Түсі – таза кристалдық түрі ақ түске ие. Қыздрған кезде ZnO
сарғыш лимон түстес реңге боялады, суытқанда қайта ақ түске
боялады.
▪ Меншікті тығыздығы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Жазылған дипломдық жұмыс 48 беттен, 3 кестеден, 9 суреттен және 38
әдебиеттер тізімінен тұрады.
Жұмыстың мақсаты: наноқұрылымды материалдарды синтездеудің золь – гель
әдісі арқылы ZnO – ның жұқа қабыршақтарын алудың технологиялық шарттарын
меңгеру, олардың морфологиялық және оптикалық қасиеттерін зерттеу.
Зерттеу объектілері: ZnO – ның жұқа қабыршақтары.
Кілт сөздер: мырыш оксиді, золь – гель әдісі, жұқа қабыршақтар,
төсеніштер, микроскоп, өткізу коэффициенті, шағылу коэффициенті, жұтылу
коэффициенті.
Берілген дипломдық жұмыс наноматериалдарды синтездеудің золь – гель
әдісі арқылы ZnO – ның жұқа қабыршақтарын алудың технологиялық шарттарын
меңгеру және олардың қасиеттерін зерттеу тақырыбына арналған. Тәжіриебе
жүргізу және зерттеулер жасау барысында мынандай құрылғылар: ARIUM 611 DI
(SartoriusGroup) суды тазарту жүйесі, аналитикалық таразы CPA225D – OCE
(SartoriusGroup), SNOL 8.21100(SNOL) муфельді пеші, UV-3600 (Shimadzu)
спектрофотометрі, Lambda 35 (Perkin Elmer) спектрофотометрі, Quanta 200i 3D
скнаерлеуші электронды микроскопы (FEI Company, АҚШ, 2008), оптикалық
микроскоп – DM 6000 M (Leica) пайдаланылды.
Дипломдық жұмыста қойылған мақсаттарға жету үшін мынандай тапсырмалар
орындалды:
• Золь – гель әдісі арқылы ZnO – ның мөлдір жұқа қабыршақтарын алу;
• Алынған ZnO – ның жұқа қабыршақтарының оптикалық қасиеттерін
спектрдің көрінетін аумағында жұтылу коэффициентіне, шағылу және өткізу
коэффициенттеріне спектрлік талдау жүргізу;
• ZnO – ның жұқа қабыршақтарының беттік морфолгиясын оптикалық және
сканерлеуші – электрондық микроскоптпрдың (СЭМ) көмегімен зерттеу.
Жасалған жұмыстың нәтижелері:
• Жұмыс барысында золь – гель әдісі арқылы ZnO – ның мөлдір жұқа
қабыршақтары алынды;
• Алынған ZnO – ның мөлдір жұқа қабыршақтардың оптикалық және
морфологиялық қасиеттері зерттелді.
РЕФЕРАТ
Данная дипломная работа содержит 3 таблицы, 9 рисуноков, 38 источников
литepaтypы и изложена на 48 страницах.
Цель работы: получение тонких пленок ZnO золь – гель методом синтеза,
отработка технологических условий роста пленок, исследование их
морфологических и оптических свойств.
Объекты исследования: тонкие пленки ZnO.
Ключевые слова: оксид цинка, золь – гель метод, тонкие пленки,
микроскоп, коэффициент пропускания, коэффициент отражения, коэффициент
поглощения.
В этой дипломной работе рассматривается обработка технологических
условий роста тонких пленок ZnO, полученных золь – гель методом синтеза, и
исследование их свойств. В ходе эксперимента для проведения
исследовательских работ было использовано современное измерительное
оборудование, в том числе: система очистки воды ARIUM 611 DI
(SartoriusGroup), аналитические весы CPA225D – OCE (SartoriusGroup),
муфельная печь SNOL 8.21100(SNOL), спектрофотометр UV-3600 (Shimadzu),
спектрофотометр Lambda 35 (Perkin Elmer), сканирующий электронный микроскоп
Quanta 200i 3D (FEI Company, АҚШ, 2008), оптический микроскоп DM 6000 M
(Leica).
Для достижeния цели были поставлены слeдующие задачи:
• получение тонких прозрачных пленок ZnO золь – гель методом;
• исследование оптических свойств тонких пленок ZnO, полученных золь –
гель методом, с помощью измерения и анализа спектров поглощения,
отражения и пропускания в видимой области спектра;
• исследование морфологии поверхности пленок ZnO с помощью оптического и
сканирующего электронного микроскопов(СЭМ).
Результаты работы:
• в ходе работы золь – гель методом были получены тонкие прозрачные
пленки ZnO;
• были исследованы морфология и оптические свойства полученных образцов
ZnO.
ABSTRACT
This thesis contains 3 tables, 9 figures, 38 sources of references and
is represented on 48 pages.
The purpose of the work: receiving of ZnO thin films by sol – gel
method, processing of technological growth conditionsof synthesized films,
research of their morphological and optical properties.
Research objects: ZnO thin films.
Keywords: zinc oxide, sol-gelmethod, thin films, microscope,
transmission coefficient, reflection coefficient, absorption coefficient.
Treatment of technological growth conditions of ZnO thin films
prepared by sol – gel method and research of their properties are
considered in this thesis. The modern measuring equipment, such as system
of water purification ARIUM 611 DI (SartoriusGroup), analytical scales
CPA225D – OCE (Sartorius Group), mufflefurnace SNOL 8.21100 (SNOL),
spectrophotometer UV-3600 (Shimadzu), spectrophotometer Lambda 35 (Perkin
Elmer), scanning electronic microscope Quanta 200i 3D (FEI Company, ASh,
2008), optical microscope DM 6000 M (Leica), was used during experiment for
carrying out research works.
To achieve the purpose were set up the following tasks:
• receiving transparent ZnO thin films by sol – gel method;
• the measurement and analysis of absorption, reflectionandtransmission
spectra in the visible region to research optical properties of ZnO
thin films, synthesized bysol – gel method;
• research of morphology of ZnO films surface by optical and scanning
electronic microscopes (SEM).
Results of work:
• transparent ZnO thin films were prepareby sol– gel method;
• the morphology and optical properties of synthesized ZnO samples were
investigated.
МАЗМҰНЫ
ҚЫСҚАРТУЛАР МЕН ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР 7
КІРІСПЕ 8
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы 9
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері 14
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь – гель 18
әдісімен алу
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO –ның қасиеттері және 19
қолданылу аймағы
1.5 Наноқұрылымды материалдарды зерттеу әдістері 27
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ
2.1 Қолданылатын төсеніштер және оларды тазалау әдістері 32
2.2 Оксидті жұқа жабындыларды дайындаудың әдістемесі 33
2.3 Алынған оксидті жұқа жабындылардың қасиеттерін зерттеуге 34
арналған тәжрибелік қондырғылар
3 ЗЕРТТЕУЛЕРДІҢ НӘТИЖЕЛЕРІ ЖӘНЕ ТАЛҚЫЛАУЛАР
3.1 Синтезделген үлгілердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу 37
3.2 Золь –гель әдісімен алынған оксидті қабыршақтардың оптикалық 41
қасиеттерін зерттеу
ҚОРЫТЫНДЫ 44
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ 45
ҚОСЫМША А
Жарияланған мақалалар тізімі 48
қысқартулар ЖәНЕ ШАРТТЫ БЕЛГІЛЕР
дипломдық жұмыста келесі қысқартулар мен шартты белгілер қолданылды.
ZnO – мырыш оксиді
ББЗ – беттік белсенді заттар
УК – ультракүлгін
КЭТ – күн энергиясын түрлендіргіш
ДНҚ – дезокирибоза нуклеин қышқылы
рН – сутектік көрсеткіш
ИҚ – инфрақызыл
БӨҚ – бақылағыш – өлшегіш қондырғылар
СЭМ – сканерлеуші – электронды микроскоп
АКМ – атомдық – күштік микроскоп
К – тозаңдану коэффициенті
ИТ – иондық тозаңдандыру
Еөтк – өткелдік энергия
СТОМ – сканерлеуші – туннельдік оптикалық микроскоп
ЖЭМ – жарықтандырушы электрондық микроскоп
Кіріспе
Наноқұрылымды материалдар өзінің бірегей қасиеттерінің арқасында
қазіргі материалтануда алдыңғы орынды алады. Дәннің өте кішкентай өлшемі
бірегей физикалық, химиялық, механикалық және т.б. қасиеттерінің өзгерісіне
әкеледі, сонымен қатар материалтану, қатты дене физикасы, биология және де
перспективті технология саласындағы мамандардың қызығушылығын арттыруда.
АIIВVI негізіндегі шалаөткізгіштер көлемді материал ретінде және жұқа
қабықшалар ретінде қолданылады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы азайған
сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен ерекшелене
береді. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы бөлігінде кванттық механикаға тән
қасиеттерді байқауға болады. Асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа
қабыршақты технология негізінде жасалуда. Осы себепті жұқа қабыршақтардың
технологиясы соңғы уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
ZnO негізіндегі наноқұрылымды материалдарды оптоэлектроникада, газдық
датчиктерде, сенсорларда, күн энергетикасы мен күн элементтерінде, жылу
элементтері мен каталитикалық реакторларда және аккумляторларда қолдану
перспективті болуымен кең зерттеліп жатыр. ZnO қабықшасы жоғары
каталитикалық қасиеттерге және электр өткізгіштікке ие, бөлме
температурасында ультракүлгін аумақта эффективті сәуле шығара алады,
көрінетін диапазонда жоғары мөлдірлігімен сипатталады. Ал мөлдір ZnO
қабықшаларын алуда ең қарапайым әрі тиімді әдіс золь-гель технологиясы
болып табылады.
Золь-гель әдісінің негізі зольді алып, оны соңынан гельге айналдыру
болып табылады. Золь-гель әдісі негізгі үш сатыдан тұрады: алкоксид
ерітінділерін M(OR)x (M = Si, Ti, Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo, W және т.б.)
жасау, олардың гидролизбен каталитикалық байланысы және гидролизбен
полимеризациялы конденсациялануы. Нәтижеде, оксидті полимер (гель)
түзіледі, одан кейін жуылып, кептіріледі және термиялық өңделеді. Золь-гель
әдісінің негізгі артықшылығы бастапқы компоненттердің жоғары дәрежеде
гомогенизациясы болып табылады. Бұған бастапқы заттардың тұздары мен
оксидтерінің алғашқы ерітіндіде еруі арқылы қол жеткізіледі. Золь-гель
әдісі дәстүрлі синтездермен салыстырғанда синтездің оңай технологиялық
схемасымен ерекшеленеді
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Жұқа қабыршақты құрылымдардың технологиясы
Қазіргі таңда жартылай өткізгішті материалтанудың басты мақсаттарының
бірі – қолданыста бар жартылайөткізгішті құрылғылардың қасиеттерінен
әлдеқайда жоғары қасиеттерге ие аса жаңа қондырғыларды жасап шығару болып
отыр. Монокристалды гетероқұрылымдарды жұқа жабынды күйінде алу олардың
қолданыс аумағының кеңеюіне жол ашады. Жұқа жабындылардың қалыңдығы
азайған сайын олардың қасиеттері массивті материалдың қасиеттерінен
ерекшелене береді. Осы себепті жұқа қабыршақтардың технологиясы соңғы
уақыттары алға қойылған тақырыптардың бірі болып отыр.
Технология деп – қажетті нәтижеге қол жеткізу барысында қолданылатын
әдістер мен қондырғылардың сабақтастығын айтамыз. Ал жұқа жабындылардың
технологиясы деп – сол қабыршақтарды алудың әдістерінің және сол үшін
қолданылатын қондырғылардың сабақтастығын түсінсек болады. Сонымен қатар
осы қабыршақтарды алу шарттары , қабыршақтардың қасиеттреі мен
параметрлерін зерттеу әдістерін де жұқа жабындылардың технологиясына
жатқызсақ болады [1].
Жабынды – заттардың конденсирленген жұқа қабаты. Жұқа жабындыны
төсеніш бетіне қондырылған тұнбалық қабаттармен және ұнтақтармен
шатыстырмау өте маңызды. Себебі олар бір бірімен байланыспаған жеке – жеке
бөлшектерден тұрады. Жұқа жабындылар – қалыңдығы бірнеше нм – ден 100 нм
– ге дейінгі аумақта жататын қабыршақтар. Қалыңдығы одан асатын болса
қабыршақ қалың деп аталады. Жұқа қабыршақтар көлемді заттардың қасиеттеріне
ие. Бірақ құрылымындағы бөлшектердің өлшемдерінің аздығы бұл материалдардың
қасиеттерінің жоғарылауына себеп болады. Әсіресе, қабыршақтың ең жоғарғы
бөлігінде кванттық механикаға тән қасиеттерді байқауға болады. Сондықтан
асқын қасиеттерге ие материалдар жұқа қабыршақты технология негізінде
жасалады [1-2].
Жұқа қабыршақтардың қандай да бір нақты белгіленген классификациясы
жоқ. Бірақ түсінуді жеңілдету үшін оларды қалыңдығына, агрегаттық күйіне,
кристалдық құрылымына, химиялық байланысына, қасиеттеріне, өңдеу
жолдарына тағы басқа қасиеттеріне байланысты жіктеуге болады.
• Қалыңдығы бойынша әдетте нано (0,1 ÷ 100 нм) және субмикрондық
(0,1 ÷ 1 мкм) қабыршақтарға бөледі. Сонымен қатар кейде
ультражұқа (0,1 ÷ 10 нм) қабыршақтар да кездесуі мүмкін .
Олардың қалыңдығы әдетте бірнеше атомдық моноқабаттардан
тұруы мүмкін.
• Агрегаттық күйіне байланысты көбіне конденсирленген қатты немесе сұйық
күйінде болады.
• Құрылымы бойынша монокристалды, поликристалды, шыны тәріздес, аморфты,
керамикалық, полимерлі, сұйық кристалды т.б. болуы мүмкін.
• Кеңістіктік құрылымы бойынша жұқа қабыршақтар қарапайым үш өлшемді,
квазиекі өлшемді – қабат түрінде , квазибір өлшемді – тізбектік,
квазинөл өлшемді – кластерлер түрінде кездесуі мүмкін.
• Біртектілігі бойынша тұтас және көп байланысты – композит күйінде,
дендриттік немесе бағаналық қабыршақ күйінде, түйіршіктелген, кеуекті
күйде де кездесуі мүмкін.
• Химиялық байланыс түріне қарай қарапайым материалдар сияқты металдық,
коваленттік, сутектік, иондық байланыспен байланысқан қабыршақтар болып
бөлінуі мүмкін.
Жұқа қабыршақтарды алуда аса мән берілетін элементтердің бірі
төсеніштер. Төсеніш – қабыршақты отырғызуға арналған объект. Идеалды
жағдайда төсеніш қабыршақпен әсерлеспейді. Бірақ практикалық жағдайда
төсеніш жұқа қабыршақтың қасиеттеріне әсер етуі мүмкін. Төсеніштердің
формасы әдетте тіктөртбұрышты және дөңгелек пластина күйінде кездеседі.
Кей жағдайларда төсеніш формасы цилиндр, лента немесе кез келган өзге
формаларда болуы да мүмкін[1-3].
Төсеніштің негізгі материалдарына мыналар жатады:
• Шыны төсеніштер. Бұл төсеніштер әдетте шыны қалыптасу процессі
кезінде түзіледі. Ең бірінші кезекте шикізаттың өңделуі жүргізіледі.
Негізгі шикізат ретінде оксидті ұнтақтар қолданылады. Содан кейін
конвейерлі пештің бір бөлігінде бастапқы материал шихтамен
араластырылады да , пештің ішінде шыны түзілу процессі жүреді. Шыны
пештің ішінен сұйық ерітінді түрінде шығарылады да, валлдардың
арасынан өткізіледі. Алынған лентаны керек өлшемдегі пластиналарға
бөледі. Кейде ерітінді күйіндегі шыныны тұрақты жылдамдықпен арнайы
колибрлерден өткізеді де, цилиндр күйіндегі стержндерді алады.
Төсеніштер жасайтын шынылардың негізгі түрлеріне кальцилі – натрийлі,
боросиликатты, алюмоселикатты, балқытылған кварц жатады. Шыны
төсеніштер қойылатын бірнеше талаптарға ие және қолдануға ыңғайлы әрі
арзан болғандықтан кең қолданысқа ие.
• Керамикалық төсеніштер. Оларды әдетте керамика технологиясы бойынша
дайындайды. Керамикалық төсеніштерді алу үшін шикізат ретінде
тазартылған оксидтік ұнтарқтар қолданылады. Оларды араластырыады да
үгітуге ұшыратады. Кейде пластификатордың, байланыстырғыштың рөлінде
қолданылатын органикалық компоненттермен араластырады. Соңынан оларды
престеу арқылы қажетті формаға келтіреді немесе құю арқылы лист
күйіндегі шыныларды алып, оларды қажет формаларға кеседі. Осыдан
кейін пластификаторды алып тастау үшін алдын ала 300 – 600
жасытып , соңынан күйдіру жүргізіледі. Рекристаллизация процессі
кезінде майда бөлшектер бірігеді , соның нәтижесінде үлкен кристалдар
өседі. Осы жолмен керамикалық төсеніштер алынады. Кей жағдайда
олардың бетін жұқа шыны қабатпен қаптайды. Ол қабатты беттің
біртексіздігін жоюға арналған қабат деп атайды. Көп жағдайда осындай
төсеніштер ретінде Al2O3, ВеО, BaTiO3 және тағы басқалар.
• Монокристалдық төсеніштер. Мұндай кристалдарды үлкен кристалдарды
қажетті кристаллографиялық ориентациялы пластиналарға бөлу арқылы
алады. Кристалдарды көбіне Чохральский әдісімен өсіреді.
• Металдық төсеніштер. Бұл төсенішті әдетте фольгадан, ленталардан
немесе металдың жұқа пластиналарынан жасайды. Отырғызылатын
қабыршақтың қасиеттері жоғары болуы үшін металл төсеніштің беті
жылтыр әрі тегістелген болуы керек. Сондықтан осындай төсеніштерді
механикалық, химиялық, электрлік әдістермен тегістейді. Кейде
төсеніштер ретінде беткі қабаты жылтыр әрі тегіс болып келетін
металдардың монокристалдары қолданылады. Ондай металдар қатарына W,
V, Ta, Cu және кейбір асыл металдар Au, Pt, Ag, Pd жатады. Асыл
металдарды төсеніш пен қабыршақ арасында химиялық реакция жүру қаупі
болған кезде жиі қолданады. Ал қиын балқитын металдарды
қабыршақтарды жоғары температурада отырғызу кезінде қолданады.
• Полимерлік төсеніштер. Бұл төсеніштерді полимерлердің ленталарынан,
фольгаларынан, пластиналарынан жасайды. Осындай төсеніштер ретінде
көбіне фторопласт, полистирол, нейлон, полиэтилен кей жағдайда
қағаздарды да қолданады.
Төсеніштердің қасиеттері: Төсеніштерді әдетте алынатын қабыршақтардың
қасиеттері барынша жақсы болатындай етіп таңдап алады. Көптеген жағдайда
төсенішті қабыршақты өңдеуге кедергі жасамайтындай етіп таңдап алады.
Төсеніштің бетінің атомдық құрылымы біртекті әрі тегіс және құрылымдық
ақаулары жоқ болуы тиіс. Негізінен төсеніштердің басым көпшілігі өте морт,
бірақ қаттылығы жоғары әрі механикалық әсерлерге және химиялық әсерлерге
тұрақты болып келеді. Асыл металдардан жасалған және полимерлік төсеніштер
химиялық әсерлерге жоғары тұрақтылығымен ерекшеленеді. Монокристалдық
төсеніштерді көбіне эпитаксиалдық түрмен өсетін қабыршақтарды алуда
қолданады. Осыдан байқағанымыздай өсірілетін қабыршақтардың қасиеттері
қолданылатын төсеніштердің қасиеттеріне тікелей байланысты.
Төсенішке қойылатын негізгі талаптардың қатарына мыналар жатады.
• Беттің жазық болуы. Төсеніштің беткі яғни қабыршақ отырғызылатын беті
оның астыңғы бөлігіне параллель болуы тиіс. Бұл литография жасауда
сонымен қатар температурамен өңдеу кезінде тепературалық градиентті
төмендету кезінде маңызды роль атқарады.
• Төсеніште кеуектердің, сызаттардың өзге де кемшіліктердің болмауы.
Бұл алынатын қабыршақтың үзіліссіз, сызатсыз болып қалыптасуына, артық
ластанудың болмауына және кеуектерден артық газдардың бөлінбеуіне
себепші болады.
• Меншікті электр кедергісінің өте жоғары болуы. Бұл қасиет қабыршақты
электр оқшаулау үшін және өлшеу қондырғыларынан әсер болмауы үшін аса
маңызды.
• Диэлектрлік тұрақтылығының жоғары мәнге ие болуы. Бұл талап көбіне тек
ток өткізбейтін төсеніштерге қойылады. Жоғары кернеу берген кезде
қабыршақта пробойдың туындамауына, аса жоғары жиілікті және жоғары
жиілікті сигналдар бергенде электрлік жоғалуды азайту үшін осы қасиеті
өте маңызды.
• Химиялық реагенттердің әсеріне тұрақтылығы. Бұл қасиет литографияға,
травлениеге және қабыршақты химиялық өңдеуге ұшыратқанда өте маңызды.
• Гидрофобтық қасиет немесе суды өзіне жұқтырмау қабілеті. Төсеніштің
бетінде су молекулаларының болмауы аса маңызды. Бұл талап дұрыс
орындалмаған жағдайда алынатын қабыршақтың адгезиясы нашар болып,
вакуумда қабыршақ бетінен су буының көптеп бөлінуіне әкелуі мүмкін.
• Рекристализация және балқу температураларының жоғары болуы. Бұл
жоғарғы температураларда тұрақты қабыршақтарды алуға мүмкіндік береді.
Сонымен қоса бұл талапты сақтау қабыршақта төсеніштің әсерінен фазалық
немесе құрылымдық ауысулардың туындамауы үшін аса мңызды.
• Төсеніштің термиялық ұлғаю коэффициентінің қабыршақтікіне барынша
сәйкес келуі. Бұл қабыршақта термиялық кернеулердің туындамауы үшін
және термоциклдеу кезінеде, шынықтыру барысында, қыздыру кезінде,
күйдіру процесінде қабыршақтың құрылымының бұзылмауына септігін
тигізеді.
• Қабыршақты қызып кетуден сақтау үшін жылуөткізгіштігі тиімді мәнге
ие материалды таңдай білу.
• Термоәсерлерге және термоекрнеулерге тұрақтылығы. Бұл қабыршақтың
жоғары температуралық градиентке төтеп беруіне себепші болады және
пайка, пісіру кезінде, төсеніштер мен қабықшаларды лазерлік
гравировкалауда аса маңызды.
• Механикалық әсерлерге тұрақтылығы майыстыру кезінде, бұрау, кесу,
сындыру кезінде қабыршақтың біртектілігін сақтап қалу үшін аса
маңызды.
• Техникалық өңдеу кезінде сырылуға және үйкелуге тұрақтылық.
• Литографияны дұрыс жүргізу үшін бетінің оптикалық тегіс болуы.
Гетероқұрылымдар жасауда біртекті қабыршақтарды алуда аса маңызды.
• Бағасының төмендігі. Бұл сериялық шығарылымдар жасауда аса маңызды.
Төсеніштерді тазалау әдістері. Төсенішті тазалаудың негізі төсеніш пен
қоспалардың атомдары мен молекуларының арасындағы байланысты үзіуде болып
саналады. Оны мынадай әдістермен жүргізеді.
• Еріткіштердің әсерімен тазалау. (сілтілердің және қышқылдардың сулы
ерітінділермен, органикалық ерітінділермен – спирт, эфирлер, хлорлы
көмірсутектермен CCl4 , ацетон және бензолмен т.б.)
• Булармен немесе газдармен әсер ету. Бұл үшін сілтілердің,
қышқылдардың, еріткіштердің, ұшқыш химиялық реагенттердің булары және
сығылған газ қолданылады.
• Төсенішке ультрадыбыстық толқындармен әсер ету арқылы. Бұл әдіс көп
жағдайда еріткіштермен тазалаумен қатар жүреді. Ультрадыбыстық әсер
саусақтың іздері сияқты ластанулардан тез арылуға көмектеседі. Осы
әдіске ұқсас тағы бір әдіс – Релей толқындарымен әсер ету әдісі. Бұл
әдісте толқындар қатты дененің бетінде таралып, оның ішкі бөліктеріне
енгенде сөніп қалады.
• Беттік – белсенді заттарды қолдану (ББЗ): карбон қышқылының
тұздарымен, сабынмен, спиртпен және тағы басқа. ББЗ аса жоғары беттік
белсенділікке ие. Сондықтан олар фазааралық шекараларда жоғары
адсорбциялану қабілетіне ие. Ол сұйықтықтң беттік керілуін
төмендетеді. Сонының әсерінен төсеніш пен ластаушы қоспалардың
бөлшектерінің арасындағы байланыс үзіледі.
• Қыздыру арқылы тазалау. Төсеніштерді термоөңдеуге ұшырату вакуумда 500
– 1000 температурада жүргізіледі. Бұл өңдеу төсеніште
дегаздалудың жүруін қамтамасыз етеді. Сонымен қоса беттің біртекті
болуына әсерін тигізеді. Дегаздалу – материалдан оның құрамындағы
еріген газдарды және кеуектерден, жарықшалардан, капилярлардан газ
атомдары мен молекулаларын шығарып тастау процесі.
• Өріспен әсер ету арқылы десорбциялау. Өте жоғары кернеулікке ие Е
107 – 108Всм электр өрісімен әсер етку беткі қабатта
адсорбцияланған иондалған бөлшектердің жойылуына әкеледі.
• Беткі қабатқа электрондық, атомдық, иондық, молекулалық сәуле
шоқтарымен әсер ету арқылы десорбциялау.
• Лазерлік сәулелермен әсер ету арқылы тазалау. Төсеніштің бетін
фокустелген лазерлік сәулемен немесе опто – механикалық құрылғылардың
сәулелермен сканерлеу арқылы тазалау. Тазаланумен қатар осы процесс
кезінде төсеніштің ақауларының кейбір бөлігінің булануы және балқуы
әсерінен болатын беттің тегістелуі және дегазация жүреді [2, 4-5].
1.2 Жұқа қабыршақтарды синтездеудің әдістері
Жұқа қабыршақтарды алудың жолдарын шартты түрде төрт топқа жіктеуге
болады.
• Физикалық әдістер – қабыршақтарды химиялық реакциялардың салыстырмалы
түрде қатысуынсыз өтетін, вакуумда немесе газдық орталарда жүргізілетін
тозаңдандыру. Бұл әдіс екі негізгі физикалық процестерге негізделеді.
Олар – конденсирленуші материалдың бетінен молекулалардың немесе
атомдардың буланып ұшып шығуы және нысаналардан жоғары энергиялы
бөлшектермен атқылау арқылы атомдарды ұшырып шығару процессі.
• Химиялық әдістер – қабыршақты отырғызу және ары қарайғы өңдеу
процесстері химиялық реакциямен бірге жүретін әдістер. Мұндай химиялық
реакциялар гомогенді де гетерогенді де және гомофазалы да гетерофазалы
да болуы мүмкін. Әдетте бұл процесстер химиялық реакторларда немесе
арнаулы құрылғыларда өтеді. Процесс кезіндегі химиялық реакциялар
сырттан жылумен, жарықпен әсер еткенде басталуы мүмкін.
• Механикалық әдістер – үлгілердің төсенішке механикалық әсерлердің
көмегімен отырғызылуы. Оған мысал ретінде механохимиялық синтезді
келтіруге болады.
• Керамикалық әдіс – жұқа қабыршақтарды керамикалық технология бойынша алу.
Бұл әдіс кезінде оксидті ұнтақтарды күйдіріп, араластырып соңынан жұқа
жабынды қалыптастыру жүргізіледі [2-4,6].
Термиялық тозаңдандыру. Термиялық әдіс, басқаша айтсақ, вакуумдық
булану кезінде заттың вакуумдық ортада қыздырудың әсерінен булануы және
будың төсенішке отырғызылуы жүреді. Жұқа жабындылардың вакуумдық
отырғызылуы негізгі үш процестен құралады.
1. Заттың конденсирленген фазадан газдық фазаға ауысуы;
2. Вакууммдық ортада заттың буының буланушыдан төсенішке қонуы;
3. Будың төсеніш бетіндегі конденсациясы.
Вакуумдық булану әдісі жайлы айтқанда мынандай терминдер мен
процестерді ескеру маңызды: еркін булану – конденсирленген заттың беткі
қабатынан булардың ұшып шығуы; сублимация – затта балқу орын алмай, қатты
күйден бірден газ фазасына көшудің орын алуы; эффузия – изотермиялық
оқшауланған көлем ішінен газдың кішкентай саңылау арқылы шығып кетуі.
Булану кезінде көптеген заттар бастапқы, яғни атомдық немесе молекулалық
күйінде болады. Олардың кейбірі полимер күйінде (Se, Te, As ж.т.б.), ал
кейбірі (NH4Cl, AlN) булану кезінде , керісінше, диссоцияланады.
Бұл әдіс кезінде қыздыру токтың (резистивтік), ИҚ сәулелердің,
лазердің, индукциондық қондырғылардың көмегімен жүзеге асырылады.
Вакумдық булануда қолданылатын аса маңызды компоненттер – вакуумдық
қондырғы, төсеніштер, төсенішті ұстағыштар, бақылағыш – өлшегіш қондырғылар
(БӨҚ) және аппаратуралар. Вакуумдық қондырғылардың мынандай негізгі
түрлері қолданылады.
- Жоғары вакуумдық қондырғы (қысым – 10-6 Торрға дейін) – пластикалық
тығыздандырғышы бар, оңай жиналатын қондырғы. Вакуумды орнатудағы
алдын ала жүргізілетін жұмыстар кезінде алдымен форвакуумдық сорғыш,
одан кейін диффузиондық сорғыш қолданылады. Процессс кезіндегі қысымды
бақылау термопара немесе ионизациондық вакуумметр көмегімен жүзеге
асырылады.
- Аса жоғары вакуумдық қондырғы (қысым – 10-12 Торрға дейін) – металдық
тығыздандырғыштары (In, Ga, күйдірілген мыс) бар шлюздармен
жабдықталған қондырғы. Магниторазрядтық, турбомолекулярлы,
криосорбциялы сорғыштармен жабтықталған. Процесс кезіндегі қысымды
бақылау үшін магниторазрядтық вакумметр қолданылады.
Төсеніш ұстағыштар және төсеніштер. Төсеніш ұстағыштардың атқаратын
функцияларының негізгісіне – төсеніштің қажетті температурасын сақтап тұру.
Оны резистивтік немесе лазерлік қыздырғыштар көмегімен жүзеге асырады.
Бақылауды пирометр жүргізеді. Ол мөлдір емес денелердің спектрдің ИҚ және
оптикалық диапазонында олардың сәуле шығаруы бойынша температурасын
өлшейтін құрылғы.
БӨҚ: вакуумметрлер, буланушы заттың буларын бақылаушы аппаратура,
жабындының қалыңдығын өлшеуші жүйе, қалдық газдардың спектрлерінің
анализаторлары, өсіп жатқан жабындының құрамын және қасиетін бақылайтын әр
түрлі аналитикалық қондырғылар [6-7].
Жабындыларды электрондық сәуле көмегімен синтездеу. Бұл әдіс кезінде
нысана материалын атқылау нәтижесінде бөлшектер көтеріліп, төсеніш бетіне
қонады. Ол үшін электрондар шоғының ағынын энергиясы 5–20кэВ болатындай
етіп үдетеді (кейбір қуатты құрылғыларда энергия 40кэВ – қа дейін жетуі
мүмкін). Электрондар нысанамен әсерлескенде олардың кинетикалық энергиясы
жылулық энергияға түрленеді де, ол энергия нысана материалын қыздыруға және
булануына жұмсалады. Электрондық – сәулелік тозаңдандыру қондырғысы
мынандай компоненттерден тұрады: вакуумдық камера (қысым 10-5 – 10-2 Торр),
электрон шоғының көзі, элкетрон шоқтарын фокустау жүйелері, электрондық
пушка, буландырғышты суытқыш және төсенішті ұстаушы.
Электрондық пушка электрон шоғы көзінен (жоғары температураға дейін
қыздырыған вольфрамдық спираль), анодтан және экраннан тұрады. Катодтан
электрондардың ұшып шығуы термоэлектрондық эмиссия процесі нәтижесінде
жүреді. Электрондық линзалардың және экранның көмегімен электрон шоқтары
қажетті геометриялық формаға келеді. Ал электрондардың энергиясы катод пен
анодтың арасындағы потенциалдар айырымының көмегімен 5 – 20 кэВ–қа
жеткізіледі. Электрондық линзалар және магнит өрісі әсерінен электрон
шоқтары нысанаға дәл бағытталады. Көптеген қондырғыларды магнит өрісі
әсерінен электрон шоқтарының бағыты 900 – қа дейін өзгере алады. Осындай
жүйелерді электрон шоғының траекториясының бағыты өзгертілген жүйе дейді.
Осындай жүйенің болуы электрон пушкасының бетін ластанудан сақтайды. Кей
жағдайда электрон шоқтары нысананың тек бір бөлігі ғана буланатындай етіп
фокусталуы мүмкін.
Қуаты 10–40 кВт – қа жететін ЭСҚ қалың қабыршақтар мен жабындылар
алуда қолданылады. Сонымен қатар бұл әдіс арқылы материалдарды балқытуға
немесе тазалауға болады. Заттың беткі қабатының тазартылуы электрон
шоқтарымен сканерлеу кезінде күйдіру және ақаулардан тазарту арқылы
жүргізіледі.
Иондық тозаңдандыру арқылы жұқа қабыршақтарды алу. ИТ кезінде нысана
иондармен атқыланып, ион мен нысананың беткі қабатындағы бөдшектердің
серпімді соқтығысуы нәтижесінде беткі қабаттан атомдар ұшып шығады. Иондар
жұмысшы газдардың ортасында электрлік разрядтың әсерінен туындайды. Жұмысшы
газдар ретінде көп жағдайда аргон, неон және басқа газдар қолданылады.
Қондырғының жоғары вакуумдық бөлігінде нысана – катод, анод, БӨҚ,
орналастырылады. Қондырғының ішінде алдын ала қысым 10-5 – 10-6 Торр
болатындай тазартылады. Инертті газ жіберілгеннен соң қысым 10-1 – 10-3
Торрға дейін жетеді. Нысанаға 0,5 – 10кВ теріс потенциал , ал анодқа – оң
потенциал беріледі. Электрондардан және жұмысшы газдың иондарынан тұратын
плазма қыза бастайды. Осы пайда болған иондар нысананы атқылай бастайды.
Бастапқы кезде нысананың беткі қабатымен әлсіз байланысқан немесе
адсорбцияланған атомдар ұшып шығады. Нысана материалының толықтай
тозаңдануы түсіп жатқан атомдардың немесе бөлшектердің энергиясы өткелдік
энергиядан (пороговая энергия) жоғары болғанда басталады. Бұл энергияның
мәні (иондар нысанаға перпендикуляр бағытталғанда) жұмысшы газдың
атомдарының массасы нысананың атомдарының массасына жуық болғанда Еөтк
4Н, нысана атомдарының массасы жұмысшы газдардың массасынан артық
болған жағдайда Еөтк 50Н аралығында өзгеруі мүмкін. Мұндағы Н –
нысана атомдарының байланыс энергиясы. Түсіп жатқан бөлшектердің
кинетикалық энергиясы нысананың атомдарымен серпімді соқтығысулар
нәтижесінде тозаңданған атомның энергиясына айналады. Бұл процесс физикалық
иондық тозаңдану деп аталады. Тозаңдандыру эффективті болуы үшін иондардың
массасы нысана атомдарының массасына жуық болуы керек. Сондықтан
тозаңдандыру кезінде гелийді жұмысшы газ ретінде қолдану тиімсіз болады.
Тозаңдану жылдамдығы тозаңдану коэффициентіне К тікелей тәуелді. Тозаңдану
коэффициенті – бір атқылаушы бөлшекке келетін нысананың тозаңданған
атомдары санына тең. К – ның мәні нысананың тазалылығына, оның
температурасына, кристалдық құрылымына, иондардың нысанаға түсу бұрышына
және массасына тәуелді болуы мүмкін.
Егер нысананың бетінде химиялық қоспалар бар болатын болса,
тозаңданудың басында полимеризация және нысананы ластаушы химиялық
реакциялар жүруі мүмкін.
Қабыршақтарды отырғызуды жоғары эффективтілікпен жүргізу үшін
вакуумметрлер, қабыршақтардың қалыңдығын өлшегіш қондырғылар, өсіп келе
жатқан қабыршақтың қасиетін және спасын қадағалайтын анализаторлар
қолданылады. Сонымен қатар нысананың үстіңгі бөлігінде электрондардың
термоэмиссиясын тудыратын қосымша иондық қондырғылар қолдану тиімді
саналады. Көп жағдайда жоғары жиілікті (бірнеше МГц – ке жуық) ион
тудырушылар қолданылады. Олар тек қана өткізгіш беттерді ғана емес, сонымен
қатар диэлектриктерді де тозаңдандыруға мүмкіндік береді. Кей жағдайда
аргон атмосферасында азотпен және оттегімен нитридтер және оксидтер
дайындау үшін реактивті қондырғылар қолданылады. Мысалы, SiO немесе SiO2
алу үшін кремнийді Ar+O2 қоспасының ортасында тозаңдандырады.
Жабындыларды керамикалық әдіспен синтездеу. Жұқа жабындыларды алудың
керамикалық синтезі кезінде оксидті ұнтақтарды қажетті пропорцияда
араластыру, төсенішке ерітіндіні жағу үшін органикалық қоспаларды қосу,
күйдірілген керамикалық жабынды алу үшін термоөңдеуді қолдану сияқты
процестер орын алады.
Бастапқы оксидті ұнтақтар біртекті наноөлшемді бөлшектерден тұрады.
Бөлшектер диірмендер көмегімен немесе үйкеліс әсерінен микрондық және
субмикрондық өлшемге ие болады. Ұнтақтардың одан әрі майдалануы
ультрадыбыстық диспергирлеушілер көмегімен жүзеге асырылады. Жабындылардың
түзілуі жағу арқылы немесе керамикалық красканың және аэрозольдің
отырғызылуы арқылы жүргізіледі. Бұл әдісте оксидтерден бөлек, керметтер –
оксидтермен металдардың қоспалары да қолданылуы мүмкін. Мысалы, оксидтер
ретінде – Al2O3, SiO2, ал металдық компоненттер ретінде – Ni, Cr, Fe
алынады.
Жабындының беткі қабаты плазма мен лазердің әсерімен, тозаңдандыру,
глазурьлеу және эмальдау процестері нәтижесінде беріктендірілуі мүмкін.
Эмаль–электрохимиялық әдіспен отырғызылған шыны тәріздес жабынды. Глазурь –
күйдіру кезінде қалыптасқан шыны тәріздес жабынды.
Кей жағдайда артынша престеу және прокатка жүргізілетін,
ультрадисперсті ұнтақтарды құрғақ түрде отырғызу әдісі қолданылуы да
мүмкін. Бұл жағдайда күйдіру температурасы Т=600–12000С аралығында болады.
Рекристаллизация процесінің нәтижесінде майда кристалдар ірі кристалдарға
айналады. Ұнтақтың жекеленген бөлшектерін күйдіру барысында кеуектер
толығымен жойылып, біртекті керамикалық жабынды пайда болады [5-6, 9-12].
1.3 Гельдік технология. Оксидті қабыршақтарды золь – гель әдісімен алу
Наноқұрылымдарды синтездеудің золь –гель технологиясы. Наноөлшемді
материалдарды синтездеуде қолданылатын әрі арзан, әрі қарапайым
технологиялардың бірі – золь – гель технологиясы. Оның алғаш қолданылу
кезеңі XX – ғасырдың 40 – жылдарына жатады. Бірақ ол уақыттары бұл әдіс
кең тарай қоймаған. Тек ХХ – ғасырдың аяғында ғана кең қолданысқа ене
бастады. Золь – гель әдісі – зольды алып, артынша гидролиз және
конденсация, кептіру, термоөңдеу процестерінің нәтижесінде гельге
айналдыру арқылы, яғни суйық дисперсті фазадан тұратын коллойдтық жүйе
түзу арқылы наноматериалдарды алу әдісі. Бұл әдіс – ерітіндіден тұндыру
әдістерінің қатарына жатады. Золь – гель технологиясының бірінші сатысы
кезінде алынатын өнімнің химиялық құрамы қалыптасады. Ол жоғары дисперсті
коллойдтық ерітінді – золь. Тұрақты зольдегі дисперсті фазаның
бөлшектерінің өлшемі 10-9 – 10-6 м болады. Дисперсті фазаның
концентрациясын арттырған кезде коагуляция процесі жүреді. Яғни бөлшектер
арасында байланыстар орын алып, гель түзілу процессі жүреді. Ол золь – гель
технологиясының екінші сатысы [13-17].
Кесте 1 – Золь – гель әдісі арқылы алуға болатын өнім түрлері [14]
Алынатын өнім Сипаттамасы және қасиеттері
Жабындылар Оксидті жабындыларды алудағы жоғары гомогенділік
немесе қабықшалар
Талшықтар Тазалығы (оптикалық талшықтар).Жоғары
температуралық оксидтерден талшықтарды алу
мүмкіндігі
Ұнтақтар Сфералық моноөлшемді бөлшектер алу, күйдірілген
керамикалық массаларды салыстырмалы түрде төменгі
температураларда алу, майдалау процесінің
қатыспауы, құрылымы қарапайым жоғары дисперсті
үнтақты алу мүмкіндігі.
Монолиттер Пласиналар, стержндер, түтікшелер, алу мүмкіндігі
және алу кезіндегі қолданылатын температураның
төмен болуы, тазалығы.
Іші бос сфералар Дейтерий, тритий сияқты ядролық отындардың сыртын
қаптайтын арнайы қаптамалар жасау.
Кеуекті материалдар Катализаторларға арналған төсеніштер, кеуектердің
таралуының жіңішкелігі, яғни кеуектерінің өлшемдері
бірдей болатын материалдар алу мүмкіндігі.
Ормосилалар және Органикалық және бейорганикалық модификаторлары
ормокерлер бар аралас сеткалар жасау.
1.4 ZnO және оған ұқсас қосылыстар. ZnO – ның қасиеттері және
қолданылу аймағы
Қазір жартылай өткізгішті элементтер құрылғылар жасауда және
наноматериалдар алуда кеңінен қолданылуда. Әсіресе, қос жартылай өткізгішті
фазалардан тұратын қоспаларға көп қызығушылық туындауда. Жартылай
өткізгішті құрылғылар жасауда қолданылатын қоспаларға көбіне AIIIBV,
AIIBVI, AIVBVI тобында орналасқан элементердің қосындылары жатады.
AIIBVI топтарының элементтерінен тұратын қоспаларға цинк, кадмий және
сынаптың халькогенидтері жатады. Соның ішінен сульфидтерді, селенидтерді,
теллуридтерді ерекше атап көрсетуге болады. AIIBVIтоптарының
элементтерінің қосындылары алмазтектес жартылай өткізгіштер қатарына жатады
және кристалданғанда вюрцит немесе сфалерит құрылымға ие болады. Бұл
қоспаларға ковалентті – ионды химиялық байланыс тән. Қоспадағы иондық
байланыстың құраушысының пайыздық мөлшері 45 – 70% . Иондық байланыстың
AIIIBVтобының элементтерінің қоспаларына қарағанда басым болуы қоспадағы
элементтердің электіртерістілігінің айырмашылығының үлкен болғандығынан
туындайды. Осы топта орналасқан элементтердің атомның орташа массасы өскен
сайын, тыйм салынған аумақтың ені және қоспаның балқу температурасы
төмендейді. Әсіресе, сульфидтердің, селенидтердің, теллуридтердің балқу
температурасы, тыйм салынған аумақтың ені, меншікті кедергісі төмендеп,
электр зарядын тасымалдаушылардың қозғалғыштығы артады.
Бұндай қосылыстардың меншікті кедергісі және электр өткізгіштігінің
түрі олардағы легирлеуші элементке емес, сол қоспа құрамының
стехиометриялық түрден ауытқуынан туындайтын құрылымдық ақауларға тәуелді
болады. Металл құраушысының артық болуы қоспаның электрондық, ал
халькогенид тобының артық болуы кемтіктік өткізгіштікті туындатады.
AIIIBVтобының қоспалары алу жолы күрделі қоспалар қатарына жатады.
Балқу температурасының жоғары болуы жұп құраушы компоненттердің
серпімділік мәндерінің жоғары болуы өте таза монокристаллдарды алуды
қиындатады. Поликристалды халькогенидтерді көбіне ерітіндіден тұндыру
әдісі арқылы (ZnS, CdS ,CdSe) және бастапқы компоненттерді балқыту арқылы
алатын болса (ZnSe, ZnTe, CdTe), монокристлды халькогенидтерді бағытталған
кристализация , ерітіндіден өсіру арқылы немесе газдық фазадан химиялық
тұндыру арқылы алады.
ZnS монокристаллдарын және күйдірілген поликристалдық блоктар ИҚ –
спектр аумағында жоғары мөлдірлікке ие және опто – электрондық құрылғыларда
линзалар ретінде қолданылады. ZnS қабыршақтарының пьезоэлектірлік
қасиетке ие болуы – оларды кейбір акустикалық құрылғыларды жасауда
қолдануға мүмкіндік берді. Цинк сульфиді және кадмий сульфиді көк және
көгілдір сәулелер шығаратын квантоскоп жасауда, УК – сәуле шығаратын
қабылдағыштар жасауда қолданылады.
Цинк селениді фоторезистивтік, фото – және электролюминесценттік
қасиетттерге ие және ИҚ – аумақта жоғары мөлдірлікке ие. Цинк селениді
негізіндегі оптикалық керамиканы опто – электрондық құрылғыларда линзалар
ретінде және кірме терезешелер (входные окна) ретінде қолданады. Ал цинк
теллуриді ZnTe электролюминесценттік және фоторезистивтік қасиеттерге ие
[4].
Осындай жартылай өткізгішті элементтердің қосындысынан тұратын маңызды
қоспалардың бірі – оксидті қоспалар. Оксидті жартылай өткізгіштер – бірі
оттегі, бірі металл болатын бинарлы химиялық қосылыстар. Жартылай
өткізгіштердің бұл тобына Cu2О, CdO, NiO, MnO, Mn3O4, ZnO және тағы
басқалары жатады. Металлдардың барлығының оттегімен қосылысы жартылай
өткізгіштік қасиеттерге ие емес. Оксидті жартылай өткізгіштердің
өткізгіштігі олардағы металл иондарының әр түрлі валенттікке ие бола алуына
байланысты. Оксидті жартылай өткізгіштердің меншікті кедергісінің мәні 105
– 109 Омм аралығында жатады. Оларда қоспалардың болуы электрлік
қасиеттерге көп әсерін тигізеді. Оксидті жартылай өткізгіштердің алу
технологиясы салыстырмалы түрде қарапайым. Әдетте бұл материалдар
поликристалдар түрінде қолданылады. Тәжірибе жүзінде варисторлар, түзеткіш
және өзге де құрылғылар жасайтын оксидтік қосылыстар кең қолданыс тапқан.
Мысалы, мыстың тотығы Cu2О түзеткіш қондырғылар жасауда қолданылады.
Осындай оксидті қосылыстардың ішінде ең жиі қолданылатыны – мырыш оксиді.
Мырыш оксиді – суда ерімейтін, кристалдық ұнтақ түрінде кездесетін
түссіз зат. Температурамен әсер еткенде түсі ақтан сарыға ауысады. ZnO –
амфотерлі қасиет көрсетеін екі компонентті қоспа. Ол қышқылдармен сонымен
қатар сілтілермен химиялық реакцияға түседі. 1975 кезінде мырыштың
буына және оттегіге ыдырайды. Яғни ZnO өте тұрақты қоспа қатарына жатады.
Мырыш оксидін әдетте ақ ұнтақ болып келетін цинкит минералынан алады.
➢ Кристалдық құрылымы. Мырыш оксиді AIIBVI тобының бинарлы қосылысына
жатады. Мырыш және оттегі атомдарының арасында иондық байланыс пен
коваленттік байланыстың ортасындағы байланыс орнаған. Қалыпты
жағдайда ZnO гексагональды кеңістіктік құрылымға ие. Ал жоғары қысымда
ZnO тасты тұздың құрылымына ие болады.
Сурет 1 – Мырыш оксидінің схемалық – кеңістіктік бейнесі [7]
1 – суретте мырыш оксидінің схемалық – кеңістіктік бейнесі
келтірілген . ZnO құрылымы бір – біріне жанаса кіріскен екі гексагональді
ұяшықтардан құралған. Мырыштың әр бір атомы тетраэдрдің бұрыштарында
орналасқан оттегінің төрт атомымен байланысқан. Суретте с бағыты бойынша
оттегіжәне мырыштың атомдарының кезектесіп орналасқан қабаттарын көруге
болады. Бұл (0001) және (000-1) бағыттары беткі қабаты бойынша оң
және теріс зарядтардың туындауына себеп болады. Кез келген заттың
отырғызу жылдамдығы, өсу кинетикасы, ақаулардың қалыптасуы,
пьезоэлектрлік секілді қасиеттері оның кристалографиялық ориентациясына
тікелей тәуелді. Мырыш оксидінің оны қолданыста кең ететін ерекше
қасиеттері аз емес. Ол бөлме температурасында тыйм салынған аумағының ені
3,37эВ болатын жартылай өткізгіш. Оның экситондарының байланыс энергиясы 60
мэВ. Бұл өзге жартылай өткізгішті қосылыстардың экситондарының энергиясынан
әлдеқайда жоғары болып саналады және УК аумақта 550 - ге дейінгі
температураның өзінде экситондық шашырауды бақылауға мүмкіндік береді.
Мырыш оксидінің бұл қасиеті оны қысқатолқынды оптоэлектроникада қолдануға
мүмкіндік береді. Сонымен қоса қатты денелі жарықтық техникада, ақпарат
жазу тығыздығы өте жоғары жад құрылғыларын жасауда, ақпаратты жіберу және
қабылдау қондырғыларын жасауда қолдануға кең мүмкіндіктер туғызады. Тыйм
салынған аумағының кең болуы себебінен мырыш оксиді барлық көрінетін
аумақта мөлдір болып келеді. Сонымен қоса меншікті ақауларының себебінен
және легирлеудің арқасында ол жоғары электр өткізгіштікке ие бола алады.
Бұл қасиеті оны дисплейлер мен күн элементтерінде мөлдір электрод ретінде
қолдануға ыңғайлы етеді. ZnO – ның тағы бір ерекше қасиеттерінің қатарына
жоғары жылуөткізгіштігін (0,54 ВтсмК), механикалық беріктігін, радиациялық
және химиялық тұрақтылығын, тыйм салынған енін және электрөткізгіштігін
өзгертуге мүмкіндігн, арзандығын жатқызуға болады [1-3].
➢ ZnO – ның меншікті және қоспалы ақаулары, легирлеу. Мырыш оксидінің
люминесценция спектрі электр өткізгіштігінің шамасы және типі секілді
көптеген маңызды қасиеттері оның құрылысындағы меншікті және қоспалы
ақауларға байланысты. ZnO–ның қарапайым формуласына қарамастан оның
меншікті ақаулары өте күрделі болып келеді. Мырыш оксидінің құрамында
әр түрлі ионизация энергиясына ие көптеген меншікті ақаулары бар. 2 –
суретте мырыш оксидінің меншікті ақауларының энергетикалық деңгейлері
көрсетілген.
Сурет 2 – ZnO – ның меншікті ақауларының энергетикалық деңгейлері [7]
Мұндағы , , ақаулары донорлық, ал
ақаулары акцепторлық болып саналады. Түйін арасында орналасқан
мырыш және оттегілік вакансиялар көбіне иондық ақаулар типіне жатқызылады.
Кез келген өзге жартылай өткізгіштегі секілді мырышта да ақаулардың
түзілуіне қоспалы атомдар көп әсерін тигізеді. n – типті өткізгіштікке ие
ZnO алу үшін III – топтың элементтерімен (Al, Ga, In) легирлесек
жеткілікті. Олар мырыштың торына оңай орналасып, донорлардың рөлін
атқарады. Ал акцепторлық қоспалар ретінде көбіне I және V – топтардың
элементтерін енгізсек болады.
➢ ZnO – ның элeктрлiк қaсиeттeрi. Легирленбеген мырыш оксиді
электрондық өткізгіштікке ие. Қалыпты жағдайда оның электр
өткізгіштігі тек оның меншікті және қоспалы ақауларына ғана тәуелді.
Ақаулардың электрөткізгіштікке әсері олардың концентрациясына ғана
емес сонымен қоса қаншалықты төменгі энергетикалық деңгейде
орналасқанына да байланысты. ZnO – да акцепторлық ақаулардың түзілуіне
көп энергия жұмсалады. Түзілу энергиясының аздығына байланысты мырыш
оксидінде нүктелік ақаулардың мөлшері көп болуы мүмкін. Мырыштың
вакансиясы ZnO – да акцепторлық ақаудың рөлін, ал түйін аралық оттегі
донорлық ақаудың рөлін атқаратыны белгілі болған. Сонымен қоса
донорлық ақаулардың тағы бір себепшісі ретінде сутегінің қоспасын
келтіруге болады. Сутегі майда донорлардың қатарынан саналады, бірақ
кейде ол доминанттық қасиеттерге ие бола алады. Осындай донорлардың
қатарына түйінаралық мырышты жатқызсақ болады, бірақ оның түзілу
энергиясы жоғары мәнге ие. Бұл ақау төменгі температурада қыздыру
кезінде жойылып кететіндіктен тұрақсыз болып саналады. Сондықтан ZnO
– дағы электрндық өткізгіштік негізінен қоспаларға (сутегі және III
топ элементтері) тәуелді екені дәлелденген. Тәжірибе барысында сутегі
ZnO – да түйін аралық позиция ғана емес, тордағы оттегінің орнынана
келіп те орналса алатындығы анықталған.
Сурет 3 - ZnO – ның элeктрлiк қaсиeті [7]
Сутегінің осындай жағдайда орналасуы ZnO – ның n – типтік
өткізгіштігінің термиялық тұрақтылығын қамтамасыз ете алады. Сутегінің ZnO
– ның қасиеттеріне әсері плазмалық өңдеу кезінде тәжірибелік түрде
көрсетілген. Оны 3 – суреттен бақылай аламыз. ZnO – ны оттегілік плазмада
өңдегеннен қарағанда, сутегілік плазмаен өңдеу мырыш оксидінің
неножіпшелерінің өткізгіштігін арттыратындығы көрсетілген.
➢ ZnO – ның физикалық қасиеттері.
▪ Тыйм салынған енінің аумағы – 3,37 эВ
▪ Экситондардың байланыс энергиясы – 60 мэВ
▪ Молекулалыөмассасы – 87,37 гмоль
▪ Түсі – таза кристалдық түрі ақ түске ие. Қыздрған кезде ZnO
сарғыш лимон түстес реңге боялады, суытқанда қайта ақ түске
боялады.
▪ Меншікті тығыздығы ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz