CC BY
349
УДК 621.793.3
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ СПРЕЙ ПИРОЛИЗА АЭРОЗОЛЕЙ
Карпанин О.В., Метальников А.М., Пивкин А.Ю., Соловьев В. А.
ГОУ ВПО Пензенский государственный университет, e-mail: fenr@pnzgu.ru,
440026, Пенза, Россия, ул. Красная, 40 Получение тонких пленок нанометровых размеров важно из-за возможности их применения в различных областях науки и техники, включая различные области электроники, оптики, космические исследования и другие отрасли промышленности. Существует много физических и химических методов получения тонких пленок, таких как ионно-лучевое распыление, термическое испарение, вакуумное напыление, химическое осаждение из газовой фазы, золь-гель метод и т.д. Благодаря простоте и дешевизне наиболее широкое распространение получил спрей пиролиз аэрозолей (CSP). Кроме того, он обеспечивает простой способ легирования любого элемента в необходимых пропорциях. Этот способ удобен для создания однородной поверхности тонких пленок требуемой толщины, без пор. В течение последнего десятилетия ряд авторов использовали технику спрей пиролиза для приготовления различных видов наночастиц [1-3]. Авторы изучали влияние давления, скорости потока газа-носителя, концентрации, морфологии и кристалличности наночастиц. Eslamian и др. разработали математическую модель испарения микро- и наноразмерных капель. Модель используется, чтобы спрогнозировать являются ли частицы заполненными или полыми. Kikuo и др. изучали процесс сушки наночастиц, в качестве прекурсора использовали коллоидные смеси [4-6].
На кафедре нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета разработана экспериментальная установка для получения наноструктурированных тонких пленок методом спрей пиролиза аэрозолей. На рисунке 1 показана схема химического спрей пиролиза. Эта установка содержит форсунку, печь для нагрева подложки, термопары для контроля температуры, и воздушный компрессор. Для поддержания постоянной температуры подложки используется печь. Она поддерживает температуру осаждения до 650 °С. На кончике сопла создается вакуум, диаметр сопла составляет около 1мм. Сопло находится на расстоянии 25-30 см от подложки. Смесь прекурсоров подается в сопло, и раствор распыляется, используется диспергирование газа, как правило, воздух или кислород. Скоростью диспергирования газа можно регулировать размером капель аэрозоля, которые в свою очередь влияют на размер частиц конечного продукта.
1 1
3 2 7
_д 1
У \
U 1 4
1 - компрессор, 2 - кварцевая труба, 3- вытяжка, 4 - сопло,
5 - подложка, 6- печь
Рисунок 1 - Блок-схема упрощенной установки спрей пиролиза аэрозолей.
1
В технике CSP используются различные параметры - давление воздуха, скорость осаждения, температура подложки, расстояние между соплами к подложке. Скорость охлаждения после осаждения также влияет на физические, электрические и оптические свойства тонких пленок. Свойства пленок чувствительны не только к их структуре, но и включая другие параметры - толщина, поверхностные состояния, морфология и т.д. Техника CSP применима для оксидов металлов, полупроводниковых оксидов, бинарных и тройных халькоге-нидов и сверхпроводящих тонких пленок. Основной принцип пиролиза состоит в том, что когда брызги достигают горячую подложку, благодаря пиролитическому разложению они осаждаются на ней. При этом они располагаются внутри печи в виде мелких капель, известные как аэрозоли, и образуют тонкий слой на подложке. Температура подложки поддерживается на постоянному уровне с помощью контролируемой печи. Пленки, выращенные при температуре 300 °С носят аморфный характер. Для получения поликристаллических пленок необходимо поддерживать температуру выше температуры подложки. Формирование пленки зависит от реакции испарения растворителя и связано с размером капель. Идеальным условием для подготовки пленки является то, когда капли полностью удалены из растворителя.
Библиографический список
1. M. Eslamian et al. 'Modelling of nanoparticle formationduring spray pyrolysis', Nanotechnology, 17, 1674-1685 (2006).
2. Abrutis, A. Teiserskis, G. Garcia, V. Kubilius Preparation of dense, ultra-thin MIEC ceramic membranes by atmospheric spray-pyrolysis technique // Journal of Membrane Science, 2004, №240, P. 113-122.
3. Tapaszto L., Kertesz K., Vertesy Z., Horvath Z. E., Koos A. A., Osvath Z., Sarkozi Zs., Darabont Al.,. Biro L. P: Diameter and morphology dependence on experimental conditions of carbon nanotube arrays grown by spray pyrolysis Carbon 43, 2005, P. 970-977.
4. Kikuo Okuyama et al., 'Preparation of Nanoparticle via Spray route', Chemical engineering Sciences, 58, 537-547, (2003).
5. M.N.Rumyantseva, A.M.Gaskov, L.I.Ryabova, J.P.Senator, B.Chenevier, M.Labeau, Pyrosol spraying deposition of copper- and nickel-doped tin oxide films, Mater.Sci.Eng. B, vol. 41, 1996, P. 333-338.
6. M.Burgos, M.Langlet, C.Vautey, Aerosol-gel deposition and low temperature heat-treatment of SiO2 layers, Thin Solid Films, vol.347, N 1-2, 1999, P.184-194.
2
