CC BY
12УДК 621.315.592
Н. О. Молотковская, Т. С. Виговская, А. Ф. Шиманский
ИССЛЕДОВАНИЕ СМАЧИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АМОРФНОГО КВАРЦА РАСПЛАВОМ ГЕРМАНИЯ
Измерение краевого угла смачивания проводили в условиях вакуума ~0,013 Па при температуре 1000°С. Керамические образцы различались по содержанию примесей. Для керамических образцов угол смачивания изменяется от 112° до 135° при уменьшении концентрации примесей от ~ 0,120 до 0,010 масс. %. На полированном кварцевом стекле угол смачивания расплавом германия составляет ~100 °.
Ключевые слова: краевой угол смачивания, керамика, аморфный кварц, плавленый кварц, шликерное литье, малодислокационные монокристаллы германия.
Введение. В решении проблемы получения малодислокационных кристаллов и монокристаллов германия для изготовления подложек радиационностойких фотоэлектрических детекторов важную роль играет материал контейнера для его расплава. Традиционно для этих целей в технологии Ge используется ультрачистый графит. Вместе с тем, при использовании графитовых контейнеров эффективный коэффициент распределения ряда примесей, например, Al, B, Ga, при их низком содержании (~ 10 см - ) приближается к 1 и, соответственно, очистка от этих примесей не происходит. Одним из путей решения данной проблемы является применение новых материалов для изготовления контейнеров, не смачиваемых расплавом германия. По многочисленным данным наиболее предпочтительным является использование аморфного кварца и керамических изделий на его основе, однако, данные по смачиванию оксида кремния расплавом германия ограничиваются лишь результатами исследования полированной поверхности плавленого кварца [1, 2].
В связи с этим целью работы является исследование смачивания керамических поверхности изделий из аморфного кварца расплавом германия и использование полученных данных для развития технологии Ge.
Методика эксперимента. Эксперименты по определению угла смачивания проводили на вакуумной установке «Капля» производства ОАО «Гиредмет». Установка оснащена графитовым нагревателем. Исследуемый образец в форме пластины (2^2) см2 устанавливали внутри печи на регулируемый по высоте шток и выставляли по уровню. Затем, перемещая шток, образец совмещали со смотровыми отверстиями и помещали на него навеску германия. В системе создавали вакуум ~0,013 Па. Исследования проводили при температуре 1000оС. Содержание примеси в образцах определяли методом атомной абсорбции на спектрометре SOLAAR M (Thermo Electron Corp.). Для определения микроструктуры и шероховатости образцов использовали оптический микроскоп Axio Observer А1 (Carl Zeiss).
Результаты и обсуждение. Для проведения экспериментов использовали керамические образцы SiO2, полученные методом шликерного литья в гипсовую форму. Для формования изделий применяли шликер, содержащий 65% SiO2, приготовленный на основе плавленого кварца
[3].
Воспроизведение технологических режимов формования и гранулометрического состава порошков SiO2 позволяли обеспечивать подобие свойств керамических образцов, микроструктура которых представлена на рисунке 1.
© Молотковская Н. О., Виговская Т. С., Шиманский А. Ф., 2012.
Рис. 1. Микроструктура керамических образцов на основе аморфного оксида кремния, х 700
Установлено, что образцы обладают схожим строением. Размер зерен изменяется от 5 до 10 мкм. Плотность керамики составляет 1,8 г/см3 , пористость ~ 14,0%, размер неровностей на поверхности образцов (шероховатость) ~ 5 ^ 10 мкм.
Исследуемые образцы различались лишь по содержанию примесей. Примесный состав исследуемых образцов приведен в таблице 1. Выявлено, что суммарная концентрация примесей 2пр изменяется от 0,013 до 0,120 масс. % с преобладанием ^ Mg и Fe в количестве до 0,040 масс.%.
Таблица 1
Содержание примесей в исследуемых образцах, 10 - 4 масс. %
Образец 1
Fe Mn Ni Pb Na Zn Cu Mg K ^пр
17,709 0,168 4,066 3,287 142,581 1,388 0,521 12,751 186,437 368,90
Образец 2
Fe Mn Ni Pb Na Zn Cu Mg K ^пр
16,714 0,041 1,254 0,922 91,201 - - - 117,186 227,31
Образец 3
Fe Mn Ni Pb Na Zn Cu Mg K 2пр
62,532 0,933 1,874 0,991 393,294 - 0,449 356,118 402,473 1218,6
Образец 4
Fe Mn Ni Pb Na Zn Cu Mg K 2пр
12,231 0,104 0,464 0,457 46,239 4,794 - 33,803 34,518 132,61
В качестве образца сравнения использовали полированное кварцевое стекло. Фотографии капли на поверхности исследуемых образцов представлены на рисунке 2.
Установлено, что на полированном кварцевом стекле угол смачивания расплавом германия составляет ~100°, что соизмеримо с соответствующим равновесным значением угла смачивания, приведенным в работах [1, 2]. Для керамических образцов угол смачивания изменяется от 112° до 135 ° при уменьшении концентрации примесей от ~ 0,120 до 0,010 масс. %, как показано на рисунке 3.
г)
д)
а - кварцевое стекло(Епр = 0,050 масс. %), угол в = 100°; б - плавленый кварц (Епр = 0,120 масс. %), угол в = 112°; в - плавленый кварц (Епр = 0,050 масс. %), угол в = 120°; г - плавленый кварц (Епр = 0,020 масс. %), угол в = 125°; д - синтетический кварц (Епр = 0,010 масс. %), угол в = 135°.
Рис. 2. Фотографии капли расплава германия на поверхности керамических образцов
Рис. 3. График зависимости угла смачивания от содержания примесей в керамических образцах 8Ю2
На основе результатов проведенных исследований можно заключить, что поверхность керамических образцов из аморфного оксида кремния смачивается расплавом германия в меньшей степени, чем гладкая поверхность. Данную закономерность можно объяснить на основе уравнения Венцеля-Дерягина [4]:
cos 9ш = К* cos 00,
где 9ш - угол наклона поверхности жидкости к поверхности плоской подложки, 90 - истинный краевой угол (угол смачивания гладкой поверхности расплавом), К - коэффициент шероховатости (отношение фактической площади поверхности к проекции на горизонтальную плоскость). Приведенное уравнение указывает на возрастание краевого угла с увеличением шероховатости. Данный факт указывает на целесообразность использования керамических кварцевых контейнеров для расплава германия. При этом внутренняя поверхность контейнера должна обладать химической чистотой, необходимой для получения ультрачистого германия.
Для изготовления контейнеров такого типа нами предложена керамическая технология двухслойного шликерного формования с использованием высокочистого синтетического оксида кремния, включающая следующие основные стадии [5,6]:
- приготовление шликера на основе плавленого кварца;
- шликерное литье в гипсовую форму;
- сушка формы с изделием;
- нанесение шликера на основе высокочистого синтетического оксида кремния с содержанием примесей не более 0,010 масс. % на внутреннюю поверхность полуфабриката из плавленого кварца;
- сушка сырца и последующий обжиг изделия при температуре 1150С.
Заключение. Смачивание расплавом германия изделий из аморфного оксида кремния снижается при переходе от гладкой поверхности к шероховатой. В связи c этим, для получения малодислокационных кристаллов и детекторного германия целесообразно использовать контейнеры для расплава Ge, изготовленные по керамической технологии.
Библиографический список
1. Kaiser, N. Wetting angle and surface tension of germanium melts on different substrate materials / N. Kaiser, A. Cröll, F.R. Szofran, S.D. Cobb, K.W. Benz // Journal of Crystal Growth. - 231. - 2001. - P. 448457
2. Cröll A. Wetting angles and surface tension of Ge1 _ xSix melts on different substrate materials / A. Cröll, N. Salk, F. R. Szofran, S. D. Cobb, M. P. Volz // Journal of Crystal Growth. - 242. - 2002. - P. 45-54
3. Пивинский, Ю.Е. Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. - СПб.: Стройиз-дат. - 2003. - 544 с.
4. Сумм, Б. Д. Физико-химические основы смачивания и растекания / Б. Д. Сумм, Ю. В. Горю-нов.-М.: Химия. - 1976. - 232 c.
5. Пат. 2333900 Российская Федерация, МПК C 04 B 35/14. Способ получения кварцевых тиглей/ Шиманский А.Ф., Пивинский Ю.Е., Савченко Н.С., Подкопаев О.И. - № 2006142548/03; заявл. 30.11.06; опубл. 20.09.08, Бюл. № 26.
6. Шиманский, А. Ф. Исследование и разработка технологических режимов изготовления кварцевых тиглей для плавления кремния / А. Ф. Шиманский, О. И. Подкопаев, М. Н. Васильева, Н. С. Симонова, К. Н. Фомина, Г. М. Зеер // Journal of Siberian Federal University. Chemistry. - 2009. - № 4. - С. 307314.
МОЛОТКОВСКАЯ Наталия Олеговна - магистрант Института цветных металлов и материаловедения, Сибирский Федеральный университет.
ВИГОВСКАЯ Татьяна Сергеевна - магистрант Института цветных металлов и материаловедения, Сибирский Федеральный университет.
ШИМАНСКИЙ Александр Федорович - доктор химических наук, профессор кафедры «Композиционные материалы и физико-химия процессов и материалов», Сибирский Федеральный университет.
