CC BY
7
PHYSICO-MATHEMATICAL SCIENCES
SUPERION TECHNOLOGICAL CAMERA 1 2 Rakhymbekov A.Zh. , Kunbosynov A.T. (Republic of Kazakhstan)
Email: [email protected]
1RaKhymbekov Aitbai Zhaparovich - Candidate of Physical and Mathematical Sciences,
Associate Professor;
2Kunbosynov Aidar Toleubayuly - Magistrant, DEPARTMENT OF PROFESSIONAL TRAINING AND TECHNICAL DISCIPLINES, ZHETYSU STATE UNIVERSITY NAMED AFTER I. ZHANSUGUROV, TALDYKORGAN, REPUBLIC OF KAZAKHSTAN
Abstract: the article analyzes the technological and functional capabilities of a chamber consisting of an oxygen pump, a device for dosing oxygen in a gas stream based on stabilized zirconia. Passing through such a superionic device a current from an external source, oxygen is dispensed in the volume of the technological chamber for the synthesis of a semiconductor nanofilm of vanadium dioxide. The possibility of optical control of the thickness of the synthesized semiconductor nanofilm from vanadium dioxide is considered. Keywords: solid electrolyte, superionic, electromotive force, current, electrode, sensor, control, oxide, dosing, concentration, phase diagram, chamber.
СУПЕРИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАМЕРА Рахымбеков А.Ж.1, Кунбосынов А.Т.2 (Республика Казахстан)
1Рахымбеков Айтбай Жапарович - кандидат физико-математических наук, доцент;
2Кунбосынов Айдар Толеубайулы - магистрант, кафедра профессионального обучения и технических дисциплин, Жетысуский государственный университет им. И. Жансугурова, г. Талдыкорган, Республика Казахстан
Аннотация: в статье анализируются технологические, функциональные возможности камеры, состоящей из кислородного насоса - устройства для дозирования кислорода в газовом потоке на основе стабилизированного диоксида циркония. Пропуская через такое суперионное устройство ток от внешнего источника, дозируют кислород в объеме технологической камеры для синтеза полупроводниковой нанопленки диоксида ванадия. Рассмотрена возможность оптического контроля толщины синтезируемой полупроводниковой нанопленки из диоксида ванадия.
Ключевые слова: твердый электролит, суперионик, электродвижущая сила, ток, электрод, датчик, контроль, оксид, дозирование, концентрация, фазовая диаграмма, камера.
Наиболее естественный путь получения окислов металлов, в том числе ванадия -окисление металла кислородом газовой фазы. Течение и результат окисления зависят от времени и кислородного потенциала газовой фазы ж [1], который в простейшем случае смеси кислорода с нейтральным газом, взятой при общем давлений 1 атм., определяется температурой Т и парциальным давлением кислорода р:
ж = RT ln P (1) где R - универсальная газовая постоянная.
Важную, иногда определяющую роль играет кинетика окисления. При недостаточно высоких температурах равновесная степень окисления не достигается, либо достигается за такие большие времена, что окисление целесообразно
производить при значениях кислородного потенциала выше равновесного. В последнем случае возникает опасность переокисления. Для расширения возможностей исследования и оптимизации технологии окисления необходимы средства непрерывного управления парциальным давлением кислорода в течение процесса [2].
Наилучшим из таких средств является кислородный насос, основанный на использовании транспортных свойств стабилизированной двуокиси циркония, и предназначенной для дозирования кислорода в атмосфере инертного газа (рис. 1), состоящий из двух блоков: измерительного и качающего определенную порцию кислорода с помощью электрического поля постоянного тока. Чтобы реализовать исключительные возможности кислородного насоса, необходимо при разработке устройства строго выполнять требования к вакуумной плотности керамики и соединений с магистралью, к технологии электродов и к режимам эксплуатации.
3 2
Рис. 1. Макет кислородного насоса из суперионика
Для получения пленок У02 путем окисления в регулируемой атмосфере разработана установка, включающая в себя кислородный насос (КН) на основе стабилизированной двуокиси циркония. Блок-схема КН, сконструированного для установки синтеза пленок У02,показана на рис. 2 блок-схема кислородного насоса.
Рис. 2. Блок-схема кислородного насоса (КН)
Кроме собственно КН в нее входят электрические печи сопротивления со стабилизированными источниками питания, стабилизированный источник качающего тока, схемы измерения температуры и (ЭДС) электродвижущей силы измерительной секции, источник газового потока с заданным составом и скоростью. Источник газового потока включает в себя баллон сжатым аргоном с известной примесью кислорода р=10 атм., игольчатый вентиль для регулирования потока, систему осушки и измерительные скорости [3].
КН подключается к электрическим цепям. Величины измеряются цифровым вольтметром Ф-30, ток - миллиамперметром М-82. Источником качающего тока служит ТЕС-20. Термо-ЭДС термопар измеряются низкоомным потенциометром ПП-63.
Собственно КН показан на рис.2. Качающая и измерительная секция во избежание гальванической связи между ними смонтированы на двух последовательно соединенных трубках 1 из керамики состава +9 мол. % У203. Длина трубки 240 мм, диаметр - 10 мм, толщина стенки - 1 мм. Электроды 2 получены двукратным вжиганием платиновой пасты при 9000С в течение одного часа. Длины качающей и измерительной секции составляют соответственно 100 и 5 мм. Токоотводы 3 выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,5 мм припеченной к пастовому покрытию. Платино-платинородиевые термопары 4 смонтированы непосредственно на качающей и измерительной секциях. Вакуумплотные соединения качающей и измерительной секциях. Вакуумноплотные соединения качающей и измерительной секции между собой и с газовой магистралью выполнены как это описано вверху [4].
КН подсоединен к технологической камере, в которой производится окисление пленок ванадия.
Рис. 3. Технологическая камера для окисления нанопленки диоксида ванадия
Камера представляет собой трубу из оптического кварца 1 диаметром 60 мм, длиной 600 мм. Труба укреплена вертикально запаянным концом вверх. Газ - аргон с концентрацией кислорода, задаваемой кислородным насосом, поступает в камеру через трубку 2, расположенную в верхней части. Образец 3 в виде пленки ванадия на ситалловой подложке вводится в рабочую зону камеры с помощью держателя 4, укрепленного на съемной пробке 5 с отверстием для выхода газа. В держателе смонтирована термопара 6 для измерения температуры образца. Электрическая цепь сопротивления 7 с регулируемым стабилизированным источником питания обеспечивает заданный температурный режим окисления.В установке предусмотрена возможность непрерывного оптического контроля процесса окисления. Она снабжена лазером ЛГ-126. Контроль осуществляется на длине волны Х=0.63мкм по интенсивности излучения, отраженного от окисляемого образца. В зависимости от текущего значения толщины пленки У02 меняются условия интерференции излучения, отраженного от поверхности У02 и металла, что позволяет судить о глубине прокисления образца.
Следует заранее включить приборы системы оптического контроля и питание цепи качающей секции, после чего установить ток качающей секции, обеспечивающий требуемое парциальное давление кислорода на выходе р, связанное с эдс измерительной ячейки формулой (2).
4
Р = Р1ехр(- —) КГ
(2)
Образец пленки ванадия поместить на площадке держателя и ввести его в рабочую зону камеры, после чего настроить систему оптического контроля так, чтобы отраженный от образца луч лазера попал на фотоприемник. В процессе окисления ванадия интенсивность отраженного луча изменяется, при этом наблюдается отчетливая интерференционная картина, по которой можно судить о глубине прокисления образца рис. 4.
Рис. 4. Интерференционная кривая
На рис. 4 приведена зависимость интенсивности отраженного образцом луча от времени окисления. Видно, что по мере увеличения толщины пленки окисла интенсивность отражения падает, осциллируя [5]. Толщину окисной пленки, соответствующую расстоянию между соседними экстремумами, можно получить по
формуле ^ = (—), где X - рабочая длина волны лазера, п - показатель преломления
к4п
пленки. Для X =0.63мкм и п для У02 =3 получим d=0.05мкм.
Список литературы /References
1. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов. М: Химия, 1978. 312 с. Ил.
2. Балкевич Б.Л. Техническая керамика: учеб. пособие для хим.-тех.специальностей высших учебных заведений. М: Стройиздат, 1968. 200 с. Ил.
3. Rakhymbekov A.Zh. Oxyden pump from a hard electrolyte / Global Science and innovation, 2015. Chicago, March 1243th Р. 296-298.
4. Рахымбеков А.Ж. Концентрационные ячейки на основе ТОИП / Наука и Просвещение, 2017. 13-я международная научная практическая конференция. Ч. 1. С. 12-16.
5. Рахымбеков А.Ж., Уразалиев У.И. Электролитическая очистка супериоником расплава полупроводника. Издательство «Проблемы науки». Журнал Достижения науки и образования. № 2, 02.02.2017. Москва.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Chebotin V.N., PerfilyevM.V. Elektrokhimiya tverdykh elektrolitov. M: Khimiya. 1978-312s.. il.
2. Balkevich B.L. Tekhnicheskaya keramika: ucheb.posobiye dlya khim.-tekh.spetsialnostey vysshikh uchebnykh zavedeniy. M: Stroyizdat, 1968. 200 s. il.
3. Rakhymbekov A.Zh. Oxyden pump from a hard electrolyte / Global Science and innovation, 2015. Chicago. March 12-13th. Р. 296-298.
4. Rakhymbekov A.Zh. Kontsentratsionnyye yacheyki na osnove TOIP / Nauka i Prosveshcheniye, 2017. 13-a mezhdunarodnaya nauchnaya prakticheskaya konferentsiya. Ch. 1. S. 12-16.
5. Rakhymbekov A.Zh., Urazaliyev U.I. Elektroliticheskaya ochistka superionikom rasplava poluprovodnika . Izdatelstvo «Problemy nauki». zhurnal Dostizheniya nauki i obrazovaniya. № 2. 02.02.2017. Moskva.
