Specjalne technologie

otrzymywania substancji

amorficznych

Metoda CVD

reakcje w

fazie gazowej

Metoda zol – żel

reakcje

w fazie

ciekłej

Otrzymywanie substancji

amorficznych poprzez reakcje z

fazy gazowej (CVD)

Surowce wyjściowe w formie ciekłej

dozowane do palnika plazmowego

Przejście w stan pary (SiCl

4

, TiCl

4

, GeCl

4

)

Reakcje w fazie gazowej (hydrolizy lub

utlenienia):

SiCl

4

+ 2H

2

O

SiO

2

+ 4HCl

SiCl

4

+ O

2

SiO

2

+ 2Cl

2

Osadzanie par produktów reakcji (SiO

2

) na

zimnym podłożu (zeszklenie) –

warstwy

amorficzne, włókna światłowodowe.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej

(CVD)

 APCVD (Atmospheric Pressure CVD) -

metoda realizowana przy ciśnieniu

atmosferycznym,

 LPCVD (Low Pressure CVD) - metoda

realizowana przy obniżonym ciśnieniu,

 PACVD (Plasma - Assisted CVD) -

metodę CVD wspomaganą plazmowo,

 LCVD (Laser - induced CVD) - metodę

CVD wspomaganą laserowo,

 MOCVD (Metal-Organic CVD) - z

zastosowaniem związków

metaloorganicznych

,

Etapy procesu CVD prowadzące do

tworzenia się produktu

 transport gazowej mieszaniny reakcyjnej

do przestrzeni reaktora.

 dyfuzja reagentów do podłoża z

przepływającej ponad nim mieszaniny
reakcyjnej.

 adsorpcja jednego lub więcej substratów

na powierzchni podłoża.

 aktywacja zaadsorbowanych regentów i

ich wzajemna reakcja prowadząca do
powstania stałego produktu.

 nukleacja (powstawanie

najmniejszych kryształów) i wzrost

warstwy zachodzący w rezultacie

dyfuzji powierzchniowej stałego

produktu powstałego w wyniku

reakcji chemicznej na powierzchni

podłoża.

 desorpcja gazowych produktów

reakcji z powierzchni podłoża i ich

dyfuzja do strumienia gazów

przepływających nad podłożem

Jakie parametry wpływają na proces

CVD ??

rodzaj reagentów;

szybkość przepływu reagentów

nad podłożem;

temperatura podłoża;

rodzaj i struktura podłoża;

ciśnienie i rodzaj gazów w

reaktorze CVD;

geometria układu źródło-podłoże;

Otrzymywanie substancji

amorficznych poprzez reakcje w

fazie ciekłej (zol-żel)

Podstawowe reakcje chemiczne

hydroliza (1)

Si(OR)

4

+H

2

O (OR)

3

SiOH

+ ROH

polikondensacja (2)

(OR)

3

SiOH + HOSi(OR)

3

(OR)

3

Si-O-Si(OR)

3

+ H

2

O (2)

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O C

2

H

5

O C

2

H

5

+

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O H

O C

2

H

5

H

2

O

+

C

2

H

5

O H

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O H

O C

2

H

5

+

O C

2

H

5

S i

O H

O C

2

H

5

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O C

2

H

5

O C

2

H

5

S i

O H

O C

2

H

5

O

+

H

2

O

O C

2

H

5

Hydroliza

+

O R

S i

R O

O R

O R

+ H

+

+

S i

O

R O

O R

O R

R

H

S i

O

R O

O R

O R

R

H

+

+ H

2

O

S i

O H + R O H

R O

O R

O R

H

+

w

środowisku

kwaśnym
pH < 7

Kondensacja

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O H

O C

2

H

5

+

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O H

O C

2

H

5

O C

2

H

5

S i

C

2

H

5

O

O C

2

H

5

O C

2

H

5

S i

O H

O C

2

H

5

O

+

C

2

H

5

O H

O

S i

O

O H

O C

2

H

5

+

O

S i

O H

O H

O

S i

O C

2

H

5

S i

O H

O

+

H

2

O

O

O

O

O

O

S i

O

O C

2

H

5

+

O

S i

O H

O H

O

S i

O C

2

H

5

S i

O H

O

+

O

O

O

O

O C

2

H

5

C

2

H

5

O H

O

S i

O

O

+

O

S i

O H

O

O

S i

O

S i

O

O

+

O

O

O

O

O H

H

2

O

Otrzymywanie substancji

amorficznych poprzez reakcje w

fazie ciekłej (zol-żel)

Podstawowe przemiany
fizyczne:

roztwó

r

zol

żel

szkło

Otrzymywanie substancji

amorficznych poprzez reakcje w

fazie ciekłej (zol-żel)

Przemiany fizyczne:

żel

szkło

40 – 250

o

C usuwanie

wody i rozpuszczalnika;

250 – 400

o

C utlenianie

części organicznych;

400 – 1000

o

C usuwanie

grup OH, zagęszczanie
struktury;

Zastosowanie metody zol-żel

Zastosowanie metody zol-żel

otrzymywanie cienkich powłok o
różnych własnościach;

otrzymywanie włókien
nieorganicznych;

otrzymywanie materiałów amorficznych
i krystalicznych gęstych i porowatych

Metoda stosowana wówczas gdy

tradycyjna hutnicza metoda

topienia zawodzi!!!!

• otrzymywanie materiałów amorficznych o

składach, strukturze, mikrostrukturze i innych
cechach, których uzyskanie metodą tradycyjnego
topienia jest bardzo trudne, albo wręcz
niemożliwe;

• bazowanie na mieszaninach cieczy, w których

jest możliwa homogenizacja na skalę
molekularną;

• otrzymywanie produktu końcowego o najwyższej

czystości (materiały wyjściowe o bardzo wysokiej
czystości chemicznej);

• obniżona temperatura otrzymywania różnych

typów materiałów; możliwość ominięcia likwacji
czy krystalizacji podczas syntezy;

Zalety metody zol-żel

Zalety metody zol-żel

• wytwarzanie nie tylko szkieł – także cienkich

warstw na różnych podłożach, folii szklanych,
materiałów włóknistych (niska temperatura
formowania prostota metody):

– możliwość wprowadzenia wielu pierwiastków w

szkliste, krystaliczne lub szklanokrystaliczne
struktury powłoki

– doskonała chemiczna adhezja do podłoża,

szczególnie do szkła;

– elastyczność odmian chemicznych kompozycji, z

możliwością otrzymania materiałów o szczególnych
własnościach jak zmienna optyka, różne
elektromechaniczne i mechaniczne charakterystyki

Wady metody

• nietypowość materiałów wyjściowych, a co za

tym idzie wysoka cena;

• trudności technologiczne związane z

otrzymaniem wolnych od spękań szkieł
monolitycznych, pozbawionych grup OH ,

• wszystkie procesy zol-żel są nieodwracalne i

niemożliwe do całkowitego zahamowania w
czasie;