Текст научной статьи на тему «ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИЯ СЕРЕБРА В СТЕКЛЕ (TEO2)0.6(WO3)0.25(LA2O3)0.05(NA2O)0.1»
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 6, с. 739-745
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОДИФФУЗИЯ СЕРЕБРА В СТЕКЛЕ
Методом твердотельной электродиффузии получены легированные серебром слои в стекле (TeO2)06(WO3)0 25(La2O3)005(Na2O)0 1 (ТВЛН). Распределение ионов серебра в исследуемых стеклах определено методами вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС) и обратного резерфордов-ского рассеяния (РОР).
С помощью метода Матано—Больцмана для случая термически-активированной диффузии выявлена слабая зависимость коэффициента диффузии серебра от его концентрации. Проведено моделирование профилей концентрации серебра в легированном слое стекла ТВЛН в случае твердотельной электродиффузии.
Хорошее совпадение теоретически найденной функции и экспериментальных данных подтверждает возможность использования выбранной модели для описания твердотельной электродиффузии ионов серебра в стеклах ТВЛН. Проведена количественная оценка поверхностной концентрации серебра после электродиффузии с помощью метода РОР. Комбинация ВИМС и РОР позволила построить профиль распределения концентрации серебра по глубине образца в абсолютных величинах. Показано, что твердотельная электродиффузия — простой и эффективный метод легирования оптических стекол — может быть использован для создания планарных волноводных структур на основе исследованного теллуритного стекла.
ЛИТЬЕ В ВАКУУМЕ как лить всякие мелкие штуки @ognennoetv
Теллуритные стекла характеризуются достаточно широким окном прозрачности (0.35—5 мкм), низкой энергией фононов (750 см-1), хорошей стойкостью к кристаллизации и воздействию окружающей среды. Они обладают высокими значениями показателя преломления (>2), что в свою очередь ведет к увеличению скорости излу-чательных переходов для редкоземельных элементов [1]. Эти свойства делают теллуритные стекла материалом, привлекательным для опто-электроники и фотоники.
Перспективно использование стекол системы Те02—^03—Ьа203—Ма20 в интегральной оптике. Ключевыми элементами интегральных оптических схем являются активные и пассивные волно-водные структуры, на основе которых изготавливаются лазеры, мультиплексоры, сплиттеры и т.д.
Существует большое количество методов создания планарных волноводных структур. Наиболее технологичными и эффективными при создании планарных волноводных структур являются диффузионные методы. Ионный обмен из жидкой фазы часто используется для создания в оптических стеклах слоев с градиентным изменени-
ем показателя преломления [2], в частности применение ионного обмена для формирования волноводных слоев в вольфрам-теллуритном стекле [3]. При его реализации необходим жесткий контроль температуры процесса и концентрации компонентов в ионно-обменной ванне.
Качество поверхности после жидкофазной диффузии не всегда отвечает требованиям, предъявляемым к планарным волноводным структурам [4]. Поэтому необходимы дополнительные операции по шлифовке и полировке поверхности. При твердотельной диффузии легирующая примесь находится на поверхности образца в виде тонкой металлической пленки, что делает простым метод получения легированных слоев в приповерхностной области стекла. Наложение электрического поля на образец значительно ускоряет диффузию и дает дополнительную степень свободы при формировании концентрационного профиля необходимой формы.
Температура плавления золота, серебра и других металлов — слушать
Твердотельная электродиффузия (ТТЭД) является перспективным методом легирования оптических стекол и широко применяется для создания волноводных структур в стеклах различных систем [5—7]. Однако информация об использова-
нии метода ТТЭД для формирования слоев с градиентным показателем преломления в теллурит-ном стекле в литературе отсутствует.
Цель данной работы — охарактеризовать свойства ТТЭД ионов серебра в многокомпонентном стекле состава (Те02)о.6(^0з)о.25(ьа20з)о.о5^а20)о.1 (ТВЛН). Состав стекла выбран на основе экспериментов по легированию теллуритных стекол редкоземельными металлами: Ег и УЬ. Это стекло имело наилучшие люминесцентные характеристики среди рассмотренных стекол других составов.
(Те02)о.б(^0з)о.25(Ьа20з)о.о5№20)о.1 получали из особо чистых порошков оксидов теллура, вольфрама, лантана и карбоната натрия традиционным способом (^ = 393°С). Смесь из заданных количеств порошкообразных оксидов плавили в печи в платиновом тигле при 8оо°С в течение 2 ч. После синтеза расплав охлаждали на воздухе до температуры стеклования и отжигали при этой температуре в течение 2 ч. После этого стекло охлаждали до комнатной температуры со скоростью о.1°С/мин. После охлаждения навески разрезали, полировали и шлифовали. Размеры полученных образцов — 1о х 6 х 1.5 мм.
Пленку металлического серебра толщиной 1.5—2 мкм осаждали на верхнюю и нижнюю поверхности образца термическим испарением серебра в вакууме.
Термически активированную ТТЭД серебра в теллуритное стекло проводили в атмосфере аргона при температуре 3оо°С в течение 4 ч, ТТЭД — в
атмосфере аргона при 2оо, 2зо, 26о, 28о, зоо°С с
приложенным к образцу напряжением и = 1оо В в течение бо мин. В течение ТТЭД образцы теллу-ритного стекла с напыленным на обе поверхности серебром находились между двумя контактами. Верхний положительный контакт был покрыт никелем во избежание паразитных диффузионных процессов. Температуру контролировали хромель-аллюмелевой термопарой. Напряжение на образец подавали и контролировали с помощью блока питания GW 1ш1ек GPR-30H10D.
Профили распределения концентрации серебра по глубине (в относительных единицах) получали с помощью квадрупольной вторичной масс-спектрометрии (ВИМС). Параметры спектрометра при измерении были следующими: 02+ (двухатомный молекулярный ион кислорода), энергия основного ионного пучка 12 кэВ, угол наклона о° от нормали, ионный ток 1оо нА, размер пятна 5о мкм, размер скана 25о х 25о мкм. Компенсация заряда подложки: электронный пучок 1 кэВ, вторичные ионы положительные, ускоряющее напряжение 2оо В.
Концентрацию ионов серебра на поверхности образца после ТТЭД (в абсолютных величинах) измеряли с помощью метода обратного резер-фордовского рассеяния (РОР). Параметры измерения: энергия а-частиц 3.25 МэВ, геометрия рассеяния 170°C.
Для анализа полученных экспериментальных данных использовали программный пакет GISA 3.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 показаны концентрационные профили Te, W, La, Na, Ag, полученные с помощью ВИМС после диффузии при температуре 260°C, приложенном напряжении 100 В в течение 60 мин. Подобные профили характерны для всех образцов (результаты не показаны). После ТТЭД концентрации Te, W, La остались неизменными по сравнению с исходными образцами.
Однако в случае концентрации Na имеется незначительный минимум на глубине порядка 100 нм. Концентрация ионов серебра максимальна в приповерхностной области стекла и постепенно спадает до предела чувствительности прибора (на глубине ~500 нм).
Было проведено моделирование профилей концентрации серебра после ТТЭД в стеклах марки ТВЛН. Также была изучена температурная зависимость коэффициента диффузии при фиксированном значении напряженности электрического поля и времени эксперимента.
На рис. 2 показан типичный спектр образца стекла после ТТЭД, полученный с помощью РОР. После обработки экспериментально полученного спектра в программном пакете GISA 3 стало возможным найти концентрации ионов серебра (в абсолютных единицах).
ТТЭД в теллуритных стеклах — комплексный процесс, происходящий под воздействием значительного числа факторов, определяющих профиль распределения лиганда в объеме образца (давление, температура, напряженность электрического поля внутри образца и др.) [8]. Учесть все условия, влияющие на процесс диффузии, на практике достаточно сложно. Однако найти основные факторы, которые в большей степени определяют конечное распределение легирующей примеси, вполне возможно.
Перед моделированием процесса ТТЭД необходимо определить концентрационную зависимость коэффициента диффузии ионов серебра в стеклах ТВЛН. Для ее нахождения был проведен дополнительный эксперимент по термически активированной диффузии ионов серебра в стекло при температуре 300°C в течение 6 ч.
Анализ полученных после термически активированной диффузии экспериментальных данных
Источник: naukarus.com
Температура испарения серебра в вакууме
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАКУУМНОЙ ПЛАВКИ СПЛАВОВ СЕРЕБРА НА КАЧЕСТВО СЛИТКОВ И ЛИТЫХ ЮВЕЛИРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Гутов Л, Д., Беньковский Н. Я., Дудаль Е. Н.
На предприятиях Главювелирпрома употребляются серебро и сплавы на его основе: Ср 999,9; Ср 999; СрМ 916; СрМ 875; СрМ 800 и СрМ 750. Полноценные отходы данных металлов в процессе производства ювелирных изделий обогащаются вредными примесями: кадмием, цинком, серой, фосфором, минеральными маслами и др. При отжиге в открытых пламенных печах отходы драгметаллов насыщаются газами.
Использование такой низкокачественной шихты при плавке сплавов серебра в открытых печах приводит к появлению в литом металле целого ряда дефектов — раковин, газовой пористости, засоров, плен, ликвационной неоднородности и других. Одновременно с этим из-за наличия вредных при¬месей резко снижаются пластичность и ударная вязкость ме¬талла, а также его технологические свойства. Для устранения этих недостатков наиболее перспективно применение вакуума при отжиге, плавке и литье сплавов серебра.
Чистое серебро при температуре 1100 ° С имеет упругость паров порядка 10 -1 мм рт. ст., поэтому во избежание испарения его при плавке рабочий вакуум должен быть в пределах 10 -1 + 1,0 мм рт. ст. [3].
С целью проверки влияния вакуумной плавки на качество слитков и литых ювелирных изделий проводились экспериментальные плавки в открытой высокочастотной печи, а также в открытой и вакуумной печах сопротивления. В качестве шихты употреблялись отходы сплава серебра СрМ 875 и фосфористая медь марки Мф 1. Плавка и разливка жидкого металла в стальные изложницы велись по технологии, принятой на ювелирных предприятиях. Плавка в вакуумной печи производилась при разрежении порядка 0.3 + 0,8 мм рт. ст. Максимальная температура жидкого металла составляла 1150 ° С. Разливка делалась в шамотовые, графитовые и стальные изложницы. Ювелирные изделия из сплава серебра СрМ 875 изготавливались методом точного литья по технологии принятой на Ленинградской ювелирной фабрике.
При проведении работы было сделано сравнительное исследование химического состава, плотности, микроструктуры и качества поверхности слитков и ювелирных изделий из сплава серебра СрМ 875, выплавленного в открытых и вакуумных печах.
Из экспериментальных данных следует, что изменения содержания серебра и меди по высоте слитков наиболее резко выражены у металла, выплавленного в открытых печах. Концентрация серебра в данном случае колеблется в пределах от 86,83% до 87,96% (т. е. на 1,13%), а меди —от 11,69% до 12,69% (т. е. на 1%). Определенной закономерности распределения серебра и меди по высоте слитков обнаружить не удалось.
Изучение микроструктуры ювелирных изделий из сплава СрМ 875, выплавленного на воздухе, показало, что для них характерна крупнозернистая структура, грубые выделения эвтектик по границам зерен и газовая пористость. Ювелирные изделия, отлитые из металла вакуумной плавки, по качеству значительно выше, так как не имеют вышеперечисленных дефектов.
Таким образом, плавка серебра марки СрМ 875 в вакууме позволяет значительно повысить его качество. По сравнению с атмосферной плавкой колебания по содержанию серебра уменьшаются в 2 раза, по содержанию меди — в 2,2 раза. Содержание вредных примесей уменьшается на 17,4%.
Плотность литого металла возрастает с 10,2945 г/см 3 до 10,3386 г/см 3 . Употребление при точном литье ювелирных изделий в качестве шихты сплава СрМ 875, выплавленного в вкаууме, существенно повышает их качество. По сравнению с обычными изделиями увеличивается равномерность распределения серебра в 3,5 раза, а меди — в З,8 раза. Плотность изделий возрастает с 10,2915 г/см 3 до 10,3374 г/см 3 . В сплаве СрМ 875, выплавленном в вакууме, нет газовой пористости, крупных неметаллических включений, грубых выделений эвтектик по границам зерен и других дефектов, характерных для металла атмосферной плавки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. Пер. с англ. под ред. М. И. Меньшикова, 1964.
Источник: ollimpia.ru
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Испарение сплавов и соединений обычно сопровождается диссоциацией или ассоциацией либо обоими процессами одновременно. В том случае, когда летучесть компонентов сплавов и соединений значительно отличается, происходит термическое разложение. Если компоненты имеют одинаковую летучесть, их испарение протекает с близкой скоростью. Испарение соединений при различной летучести компонентов приводит к тому, что состав пара и конденсата отличается от состава источника. Различие в составе возрастает в том случае, когда пар состоит из атомов, имеющих разные коэффициенты конденсации. [2]
Кинетика испарения сплава Pb-Sn изучена методом количественного рентгеновского фазового анализа, основанного на определении отношения интенсивностей линий обеих фаз. Результаты исследования ( рис. 104) находятся в хорошем соответствии с электронографическими данными, которые показывают наличие олова в покрытии уже через 10 — 15 с после начала испарения. [4]
При испарении сплавов в вакууме нельзя рассматривать каждый компонент изолированно, независимо от наличия других компонентов. Скорость испарения чистого вещества определяется его температурой. [5]
При испарении сплавов из одного источника степень фракционирования уменьшается с увеличением температуры. Метод заключается в том, что частицы мелкораздробленного материала ( сплава необходимого состава или смеси компонентов) равномерно или небольшими дискретными порциями подаются в испаритель, разогретый до температуры, которая заведомо выше температуры интенсивного испарения самого труднолетучего компонента сплава. Происходит быстрое ( взрывное) испарение сплава, вследствие чего состав пара над испарителем и конденсата идентичен составу подаваемого материала, независимо от соотношения упругостей паров компонентов. Температура подложки выбирается такой, чтобы обеспечить высокую поверхностную подвижность атомов и в то же время не допустить реиспарения металла. [6]
При испарении сплава , состоящего из компонентов с различным давлением паров ( например, нихром), происходит искажение состава, если испарение происходит из жидкой фазы. [7]
Рассмотрим кинетику испарения сплавов . [8]
Основной особенностью испарения сплава в вакууме из одного источника является фракционирование, обусловленное различием скоростей испарения компонентов, образующих сплав. Формирующееся на подложке покрытие имеет неоднородный состав по толщине, так как начальные слои обогащены легколетучим компонентом, а в последующих преобладает вещество с малой упругостью паров. [9]
Обе системы очень удобны для иллюстрации механизма испарения сплавов , поскольку для первой характерно низкое, а для второй — высокое отношение давлений паров. Оба сплава часто испаряют из вольфрамовых лодочек, хотя расплавы и реагируют с вольфрамом. [10]
Наиболее важная величина, которая интересует нас при испарении сплавов , — это коэффициент межфазового разделения КР. Зная его, можно легко рассчитать состав пара при заданном составе исходного материала. [11]
Как следует из примеров, приведенных в табл. 15, этот метод применим для испарения сплавов , смесей металл — диэлектрик и соединений. В большинстве случаев пары, попадающие на подложку, пересыщены, так что состав пленки не зависит от коэффициентов конденсации. Исключение составляют халькогениды меди, хотя обычно управление составом пленки определяется тем, насколько испарение вещества является полным. Для этой цели разработаны экспериментальные способы, связанные с формой подаваемого испаряемого вещества, с механизмом подачи испаряемого вещества и с типом испарителя. [12]
Второй случай предполагает, что во время переходного режима температура испарения регулируется так, чтобы общая скорость испарения сплава оставалась постоянной, хотя скорости испарения отдельных компонентов могут изменяться. Если при этом скорость подачи сплава в испаритель не изменяется, то и объем испаряемого вещества в тигле остается постоянным. Реализовать на практике такой режим испарения довольно трудно. Некоторое приближение получается при подаче материала на поверхность испарения с градиентом температуры. [13]
Воздух из-под стеклянного колпака 8 откачивается при помощи форвакуумного и паро-масля-ного насосов, позволяющих достигать разрежения, измеряемого остаточным давлением 2 — 10 — 4 мм рт. ст. В результате нагревания вольфрамового стержня со спиралью 15 происходит испарение сплава сопротивления . Основания, укрепленные на 36 — 40 спицах 11, вращаются вокруг продольной оси. Вращение оснований необходимо для осаждения одинакового по толщине слоя испаряемого сплава сопротивления. Включение механизма вращения производится одновременно с включением в рабочее состояние вакуумных насосов. [14]
Указанному требованию удовлетворяют благородные металлы: серебро, золото и др., но они имеют слабую связь ( адгезию) со стеклянной подложкой. Испарение сплавов производится при разных скоростях. Так, марганец испаряется быстрее и служит как бы подложкой, а затем испаряется серебро. [15]
Источник: www.ngpedia.ru