Что такое findslide.org?

FindSlide.org - это сайт презентаций, докладов, шаблонов в формате PowerPoint.

Для правообладателей

Обратная связь

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Яндекс.Метрика

Презентация на тему Химические реакции

Содержание

Протекание реакций целиком в твердой фазе не столь типично как их протекание в газовой фазе или в жидкости, тем не менее такие процессы известны. Реакции между газом и твердым телом также лимитируются стадией переноса вещества внутри
Химические реакцииСкорость реакции, протекающих в твердой фазе, зависит не только от скорости Протекание реакций целиком в твердой фазе не столь типично как их протекание Твердые тела, как правило, не взаимодействуют друг с другом при комнатной температуре. Расчет свободной энергии может сказать лишь способна или не способна данная реакция Взаимодействие смеси порошков MgO и Al2O3 становится сколь-либо заметным лишь при температуре Причем сначала образуются зародыши MgAl2O4. Значительные структурные различия исходных веществ и продукта Ионы Mg+2 в MgO и Al+3 в Al2O3 размещаются в регулярных узлах Одновременно происходит взаимный обмен ионов Mg+2 и Al+3 через поверхность раздела двух Схема реакции, проходящей между MgO и Al2O3 по механизму встречной диффузии катионов. Реакции внедрения и ионного обмена как методы получения новых соединений на основе Для того чтобы твердое соединение могло вступать в эти реакции, его структура Структуры графита и TiS2, образующих соединение внедрения (интеркалаты), имеют слоистый характер. При В соединениях типа -глинозема (-Al2O3) также имеются открытые слои, структура которых позволяет Структура цеолитов (молекулярных сит) образована трехмерным алюмосиликатным каркасом, образующим сеть пересекающихся каналов Перечисленные типы соединений и реакций интересны не только тем, что расширяют возможности В дисульфид титана TiS2 можно электрохимически вводить ионы лития благодаря этой особенности Соединения внедрения на основе графита (СВГ)Графит – классическая матрица для проведения реакций Многие из приведенных реакций обратимы. Так, в расплаве калия графит образует соединение Рассмотрим более детально структуру графита и одного из соединений внедрения. Координационное число Эта упаковка отличается от обычной гексагональной тем, что некоторые атомы углерода расположены Эта р-орбиталь перекрывается с такими же орбиталями трех примыкающих атомов углерода, в Вследствие делокализации -электронов, которая с позиций зонной теории означает образование зонной проводимости, Слабое взаимодействие соседних слоев друг с другом – причина значительного межслоевого расстояния Относительное расположение углеродных слоев в этом соединении отличается от их расположения в Заполнение всех имеющихся в структуре позиций этого типа соответствует стехиометрии С2М, а Она обозначается как С8-К+, то есть в этом соединении графит проявляет себя Соединения внедрения на основе дихалькогенидов переходных металлов и других слоистых и туннельных Показательным примером реакции внедрения является взаимодействие TiS2 с литием, приводящее к образованию Эту реакцию обычно проводят при комнатной температуре в органическом растворителе, используя в LixTiS2 можно получить также электрохимически. Катод электрохимической ячейки изготовлен из порошка TiS2, Анодом является полоска металлического лития, опущенная в электролит. При замыкании внешней цепи, В самом начале реакции электродвижущая сила ячейки, изображенной на рис. 2.10, составляет Рассмотренные методы синтеза могут быть с успехом применены для получения других соединений Среди них можно назвать Ta2S2C, NiPS3, FeOCl, V2O5, MoO3, WO3, TiO2, MnO2 Реакции ионного обменаС помощью реакций ионного обмена также можно получить новые соединения. Много примеров применения реакций ионного обмена для синтетических целей можно найти в Ионы натрия, благодаря неплотной упаковке кислорода имеют высокую двумерную подвижность, придающую -глинозему Возможно также замещение натрия на двухзарядные ионы. Например обмен на Ca+2 происходит Особенно легко осуществляется замещение ионов натрия на ионы серебра. На рис. 2.12 Катионное замещение в -глиноземе можно проводить электрохимически.Основные закономерности реакций ионного обмена, установленные Как и любые химические процессы, реакции ионного обмена регламентируются термодинамическим и кинетическим При 3000С ионы щелочных металлов весьма подвижны во многих структурах, поэтому такие Значительно сложнее проходит обмен при участии катионов с зарядом, больше единицы, так Синтез метастабильных фаз с использованием приемов мягкой химииМетоды, основанные на предварительном получении Используя образование промежуточных соединений, удается в некоторых случаях синтезировать новые метастабильные фазы, Их структура и структура промежуточного соединения чрезвычайно близки, а свойства интересны. Приемы Новая полиморфная модификация диоксида титана TiO2 (В) синтезирована из промежуточного соединения K2Ti4O9, Структура этой формы близка к структуре K2Ti4O9 Новая гексагональная форма WO3 была Методы электрохимического восстановленияПутем электрохимического восстановления удалось получить очень многие кристаллические соединения, в Электрохимическое восстановление сводится к электролизу расплава смеси компонентов, из которой при этом Условия, необходимые для синтеза того или иного соединения, находят преимущественно эмпирически, а Смесь помещают в тигель из инертного к расплаву и продуктам электролиза материала. Получение материалов в виде тонких слоев и пленокВ современной технологии большую роль В некоторых случаях переход к тонкопленочному состоянию приводит к появлению уникальных свойств, Реакции образования пленок на поверхности твердого телаРассмотрим вначале реакции, приводящие к образованию Типичным примером подобных реакций может служить окисление металлов. Значение процессов переноса в Пластина из металлического серебра была изолирована от расплавленной серы, с которой она Оказалось, что вес серебряной пластины уменьшился. Однако изменения веса пластины -Ag2S, прилегающей Серебро диффундирует через -Ag2S в виде ионов, а электронейтральность сохраняется за счет Кинетика роста толстых пленокРост пленок на поверхности твердого тела в зависимости от Линейный закон применим к реакции на поверхности твердого тела, приводящей к образованию В более общем случае этот закон применим к системам, в которых скорость Отклонения от параболического и линейного закона роста могут быть следствием побочных явлений, Предполагается, что МХ содержит катионные вакансии VМ, являющиеся акцепторами электронов. Положительно заряженные Поток вакансий от внешней поверхности к поверхности раздела соответствует диффузии атомов металла В стационарном состоянии образуется направленный внутрь диффузионный поток вакансий VM- . Дырки, Соответствующий этому электрический ток точно эквивалентен потоку заряженных вакансий, поскольку в стационарном Если концентрации вакансий и дырок повсюду точно равны, их концентрационные градиенты также Это должно привести к разделению зарядов и постепенному накоплению пространственного заряда в где D- коэффициент диффузии,  - подвижность.Потоки частиц через 1 см2 плоскости Первые члены в правой части уравнения соответствуют потоку, обусловленному градиентами концентраций носителей Используем уравнение Эйнштейна, связывающее коэффициент диффузии с подвижностями, и подставим уравнение (9.3) Поскольку полная электропроводность  выражается в виде суммы вкладов дырок и заряженных Кроме того,так что проводимость во многом определяется первым членом в правой части Если число ионов металла на единицу объема равно М, скорость увеличения толщины Рост пленки в этом случае описывается параболическим законом.В общем случае вакансии и Они возникают на внешней поверхности пленки и разряжаются на поверхности раздела окисел Можно ожидать, что концентрация вакансий меди на поверхности раздела окисел – газ Если вакансии не ионизированы, их концентрация должна зависеть от давления в степени Поскольку скорость реакции зависит от процесса диффузии в твердом теле, примеси которые Причем на каждый ион Cd+2 приходится вакантный узел, ранее занятый серебром. Это Соотношение скоростей окисления серебра с добавкой кадмия и без добавки приблизительно равно(1- Кинетика роста тонких пленокЕсли толщина пленки менее ~ 1000 А0, ее рост При расчете распределения потенциала и его влияния на диффузию дефектов через пленку Кроме того, изменение кинетических закономерностей, вследствие изменения глубины слоя пространственного заряда может При изучении роста очень тонких пленок следует принимать во внимание возможность ограничения Скорость окисления алюминия определяется стадией перехода алюминия в виде ионов Al+3 через Этот барьер намного больше того, который приходится преодолевать иону при переходе из Скорость переходов повышается под действием электрического поля, возникающего в результате адсорбции на Эта зависимость показывает, что при очень малой толщине пленки  скорость роста Химические и электрохимические методыНанесение катодных покрытий. Разность потенциалов, между двумя электродами, опущенными Безэлектродное нанесение покрытий. Этот процесс отличается от предыдущего только тем, что его Анодное оксидирование. Этот метод применяют для нанесения тонких оксидных слоев на поверхность При увеличении напряжения на электродах рост оксидной пленки ускоряется благодаря более интенсивному Анодные оксидные слои на поверхности металла образуются также на электродах газоразряженных трубок Так, на поверхности алюминия в присутствии кислорода (в том числе и просто В частности обработка некоторых металлов в атмосфере аммиака при повышенных температурах приводит Образование пленок происходит в момент разложения газов или паров при пиролизе УФ- смещается вправо при понижении температуры, что можно использовать при нанесении покрытий на Пленки, осажденные из паровой фазы, часто наследуют структуру подложки благодаря эпитаксиальному механизму Физические методыКатодное распыление. Схема установки изображена на рис. 2.14 а. Анод и Положительные ионы газа, двигаясь к катоду. Разгоняются и бомбардируют мишень, выбивая при В современном оборудовании для катодного распыления используют различные усовершенствования, в том числе Таким образом получают пленки чистых металлов, сплавов, полупроводниковых и изоляционных материалов, неорганических Выбор материала подложки диктуется назначением и требованиями к качеству напыляемой пленки. В Материал контейнера – испарителя, выдерживающий очень высокие температуры, должен быть инертен по Выращивание монокристалловМонокристаллы могут быть получены при кристаллизации из газовой, жидкой и твердой Метод ЧохральскогоЭтот метод в основном применяется для получения монокристаллов, состав которых тождественен При постепенном движении затравки вверх на ее поверхности, обращенной к расплаву, происходит Это позволяет уменьшить температурные и концентрационные неоднородности при кристаллизации и таким образом Для предотвращения потерь за счет испарения при работе с летучими элементами (As, Метод Бриджмена и СтокбаргераЭти методы также основаны на кристаллизации расплава, стехиометрия которого В методе Стокбаргера это осуществляется путем относительного перемещения расплава и градиентной зоны, Рис. 216 а. Метод Стокбаргера Рис. 216. б. Метод Биджмена Зонная плавкаЭтот метод похож на метод Стокбаргера, однако температурный профиль печи таков, Рис. 216 в. Метод зонной плавки Рис. 216.г. Метод Вернейля При дальнейшем протягивании лодочки через печь и последовательном плавлении остального вещества происходит Метод зонной плавки используют для очистки и роста монокристаллов даже таких тугоплавких металлов, как вольфрам Кристаллизация из растворов или расплавовВ отличие от предыдущих методов, в которых расплав Например, кристаллы SiO2 и различных силикатов с высокими температурами плавления получают из В частности, разработана методика получения монокристаллов твердых электролитов - и ”-Al2O3 из боратных расплавов. Эпитаксиальный рост тонких слоевДля получения монокристаллических тонких слоев, которые используются во многих Рост кристалла при сохранении двумерного соответствия называется эпитаксиальным, а при сохранении трехмерного В качестве подложки могут быть использованы кристаллы того же или подобного состава, Так, тонкие слои GaAs выращивают, осаждая из паровой фазы на подложки из Газоплазменный метод ВернейляВпервые этот метод был использован в 1904 г. для выращивания Затвердевание этих капель приводит к увеличению размеров кристалла (получение монокристалла СаО)
Слайды презентации

Слайд 2 Протекание реакций целиком в твердой фазе не столь

Протекание реакций целиком в твердой фазе не столь типично как их

типично как их протекание в газовой фазе или в

жидкости, тем не менее такие процессы известны. Реакции между газом и твердым телом также лимитируются стадией переноса вещества внутри твердого тела.

Слайд 3 Твердые тела, как правило, не взаимодействуют друг с

Твердые тела, как правило, не взаимодействуют друг с другом при комнатной

другом при комнатной температуре. Для того, чтобы реакция между

ними протекала с заметной скоростью, необходимо нагревание до 1000 – 15000 С. таким образом, протекание реакции в твердой фазе определяется и термодинамическим и кинетическими факторами.

Слайд 4 Расчет свободной энергии может сказать лишь способна или

Расчет свободной энергии может сказать лишь способна или не способна данная

не способна данная реакция протекать, тогда как кинетический фактор

определяет скорость реакции. Например, согласно термодинамическому расчету MgO и Al2O3 должны реагировать с образованием
MgAl2O4, однако на практике скорость этой реакции при комнатной температуре очень мала.

Слайд 5 Взаимодействие смеси порошков MgO и Al2O3 становится сколь-либо

Взаимодействие смеси порошков MgO и Al2O3 становится сколь-либо заметным лишь при

заметным лишь при температуре выше 12000 С.
На рис.

2.1.а представлено взаимодействие порошков MgO и Al2O3, тесно соприкасающихся по общей плоскости. В результате теплового воздействия на границе раздела кристаллов возникает слой MgAl2O4 (рис. 2.1.б).

Слайд 6 Причем сначала образуются зародыши MgAl2O4. Значительные структурные различия

Причем сначала образуются зародыши MgAl2O4. Значительные структурные различия исходных веществ и

исходных веществ и продукта затрудняют зародышеобразование, поскольку совершающаяся при

этом перестройка, требует разрыва имеющихся связей и образование новых, а также миграции атомов на расстояние, которое в некоторых случаях может быть весьма значительным.

Слайд 7 Ионы Mg+2 в MgO и Al+3 в Al2O3

Ионы Mg+2 в MgO и Al+3 в Al2O3 размещаются в регулярных

размещаются в регулярных узлах решетки и их перемещение в

соседний незанятый узел происходит с большим трудом. Только при высокой температуре тот или иной ион способен покинуть свой узел и начать диффундировать через кристалл. Образование зародышей MgAl2O4 требует перегруппировки кислородных ионов к месту локализации будущего зародыша.

Слайд 8 Одновременно происходит взаимный обмен ионов Mg+2 и Al+3

Одновременно происходит взаимный обмен ионов Mg+2 и Al+3 через поверхность раздела

через поверхность раздела двух кристаллов.Следующий этап взаимодействия – рост

образовавшегося слоя продуктов реакции. Здесь необходима встречная диффузия Mg+2 и Al+3 через имеющийся слой шпинели к новым реакционным поверхностям (их становится уже две).

Слайд 9 Схема реакции, проходящей между MgO и Al2O3 по

Схема реакции, проходящей между MgO и Al2O3 по механизму встречной диффузии катионов.

механизму встречной диффузии катионов.

Слайд 10 Реакции внедрения и ионного обмена как методы получения

Реакции внедрения и ионного обмена как методы получения новых соединений на

новых соединений на основе существующих структур
Реакции внедрения (встраивания в

кристаллическую структуру дополнительных атомов, ионов или молекул) и ионного обмена (замещения ионов одного вида на другие при обработке твердых фаз расплавами солей или растворами) применяют при получении новых твердофазных соединений.

Слайд 11 Для того чтобы твердое соединение могло вступать в

Для того чтобы твердое соединение могло вступать в эти реакции, его

эти реакции, его структура должна удовлетворять ряду требований, важнейшим

из которых является высокая степень открытости структуры, позволяющая посторонним атомам или ионам легко диффундировать в объеме кристалла и легко покидать его. Вот некоторые примеры соединений, обладающих такими свойствами.

Слайд 12 Структуры графита и TiS2, образующих соединение внедрения (интеркалаты),

Структуры графита и TiS2, образующих соединение внедрения (интеркалаты), имеют слоистый характер.

имеют слоистый характер. При внедрении посторонних атомов или ионов

в межслойное пространство слои раздвигаются, а при последующем удалении внедрившихся частиц вновь сближаются.

Слайд 13 В соединениях типа -глинозема (-Al2O3) также имеются открытые

В соединениях типа -глинозема (-Al2O3) также имеются открытые слои, структура которых

слои, структура которых позволяет ионам Na+ легко передвигаться внутри

слоя. При обработке натриевой формы -глинозема расплавами соответствующих солей ионы натрия могут быть замещены на ряд других катионов.

Слайд 14 Структура цеолитов (молекулярных сит) образована трехмерным алюмосиликатным каркасом,

Структура цеолитов (молекулярных сит) образована трехмерным алюмосиликатным каркасом, образующим сеть пересекающихся

образующим сеть пересекающихся каналов и пустот. Гидратированные катионы, локализованные

в этих пустотах, склонны к ионному обмену.

Слайд 15 Перечисленные типы соединений и реакций интересны не только

Перечисленные типы соединений и реакций интересны не только тем, что расширяют

тем, что расширяют возможности препаративной неорганической химии, но с

их помощью можно решить многие технологические задачи.
Так, цеолиты благодаря их способности к ионному обмену, наряду с другими применениями могут также служить в качестве ионнообменников для уменьшения жесткости воды

Слайд 16 В дисульфид титана TiS2 можно электрохимически вводить ионы

В дисульфид титана TiS2 можно электрохимически вводить ионы лития благодаря этой

лития благодаря этой особенности TiS2 и другие дихалькогениды переходных

металлов перспективны в качестве материалов обратимых электродов твердофазных аккумуляторов

Слайд 17 Соединения внедрения на основе графита (СВГ)
Графит – классическая

Соединения внедрения на основе графита (СВГ)Графит – классическая матрица для проведения

матрица для проведения реакций внедрения. Его способность к включению

в свою структуру атомов, ионов или молекул достаточно хорошо изучена. Соединения внедрения в графит могут быть получены, в частности с катионами щелочных металлов, галогенид-ионами, аммиаком и аминами, солями галогенводородных и кислородсодержащих кислот. Некоторые представления о типичных реакциях внедрения можно представить:

Слайд 18

Слайд 19 Многие из приведенных реакций обратимы. Так, в расплаве

Многие из приведенных реакций обратимы. Так, в расплаве калия графит образует

калия графит образует соединение С8К, которое при последующем вакуумировании

разлагается на компоненты. Таким образом, реакцию довольно легко осуществить как в прямом, так и в обратном направлениях, что объясняется структурными особенностями участников реакции: слоистая структура графита при образовании соединений внедрения не претерпевает изменений.

Слайд 20 Рассмотрим более детально структуру графита и одного из

Рассмотрим более детально структуру графита и одного из соединений внедрения. Координационное

соединений внедрения. Координационное число углерода в плоских слоях структуры

графита равно трем, следовательно эти слои не являются плотноупакованными. Период повторяемости слоев равен двум, т.е. структура построена по типу АВАВА…

Слайд 21 Эта упаковка отличается от обычной гексагональной тем, что

Эта упаковка отличается от обычной гексагональной тем, что некоторые атомы углерода

некоторые атомы углерода расположены над атомами углерода соседнего слоя,

тогда как другие – над центром углеродного кольца в нижнем слое. Электроны углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Не подвергшаяся гибридизации р-орбиталь с неспаренным электроном направлена перпендикулярно плоскости углеродного кольца.

Слайд 22 Эта р-орбиталь перекрывается с такими же орбиталями трех

Эта р-орбиталь перекрывается с такими же орбиталями трех примыкающих атомов углерода,

примыкающих атомов углерода, в итоге возникает бесконечная (в двумерном

пространстве, т.е. в данной плоскости) делокализованная -система, близкая к той, которая образуется в ароматических соединениях. Расстояния между атомами углерода в слое составляет 1,41 А0 (в бензоле 1,40)

Слайд 23 Вследствие делокализации -электронов, которая с позиций зонной теории

Вследствие делокализации -электронов, которая с позиций зонной теории означает образование зонной

означает образование зонной проводимости, графит обладает высокой тепло- и

электропроводностью. Внутри слоя атомы углерода связаны прочно (кратность связи 1,5), тогда как между слоями существует лишь слабое притяжение ван-дер-ваальсового типа.

Слайд 24 Слабое взаимодействие соседних слоев друг с другом –

Слабое взаимодействие соседних слоев друг с другом – причина значительного межслоевого

причина значительного межслоевого расстояния (3,35 А0), что делает возможным

внедрение посторонних атомов между ними, при этом межслоевое расстояния еще больше увеличивается. Например в С8К оно составляет 5,41 А0, а в CF ~ 6,6 А0. Структуры многих соединений внедрения в графит (СВГ) достоверно неизвестны, предполагаемая структура С8К – приведена на рис. 2.8 б.

Слайд 25

Слайд 26 Относительное расположение углеродных слоев в этом соединении отличается

Относительное расположение углеродных слоев в этом соединении отличается от их расположения

от их расположения в чистом графите: в С8К слои

образуют последовательность …ААА… Каждый ион калия расположен между центрами двух углеродных колец, принадлежащих соседним слоям. Таким образом, координационное число калия равно 12.

Слайд 27 Заполнение всех имеющихся в структуре позиций этого типа

Заполнение всех имеющихся в структуре позиций этого типа соответствует стехиометрии С2М,

соответствует стехиометрии С2М, а формула С8К отвечает заполнению только

¼ этих позиций, причем упорядоченным образом. Образование СВГ вызывает изменение электронной структуры графита: наблюдается частичный перенос электронной плотности от калия к углероду, в результате чего возникает полярная структура.

Слайд 28 Она обозначается как С8-К+, то есть в этом

Она обозначается как С8-К+, то есть в этом соединении графит проявляет

соединении графит проявляет себя как акцептор электронов, но в

других соединениях он может выступать как донор. Так обстоит дело в соединениях с галогенами, что отражает условная электронная формула, например бромида С8+Br-. Как при донорном, так и при акцепторном поведении углерода, зона проводимости в СВГ заполнена лишь частично и соединения С8-К+ и С8+Br- являются хорошими проводниками электричества.

Слайд 29 Соединения внедрения на основе дихалькогенидов переходных металлов и

Соединения внедрения на основе дихалькогенидов переходных металлов и других слоистых и

других слоистых и туннельных структур
Дисульфиды переходных металлов IV, V

и VI групп имеют слоистые структуры и могут образовывать соединения внедрения. Наиболее детально изучена структура и поведение дисульфида титана TiS2. Сандвичевая структура этого соединения схематично представлена на рис. 2.9.а

Слайд 30

Слайд 31 Показательным примером реакции внедрения является взаимодействие TiS2 с

Показательным примером реакции внедрения является взаимодействие TiS2 с литием, приводящее к

литием, приводящее к образованию LixTiS2 (0 < x 

1). Внедряясь в пространство между сандвичами TiS2 ионы лития вызывают расширение решетки в направлении, перпендикулярным слоям, на 10% (при х = 1). Одновременно происходит восстановление Ti+4 до Ti+3 в количестве, эквивалентном х.

Слайд 32 Эту реакцию обычно проводят при комнатной температуре в

Эту реакцию обычно проводят при комнатной температуре в органическом растворителе, используя

органическом растворителе, используя в качестве источника н-бутилат лития:
После завершения

реакции образовавшийся твердый продукт отфильтровывают и промывают гексаном.

Слайд 33 LixTiS2 можно получить также электрохимически. Катод электрохимической ячейки

LixTiS2 можно получить также электрохимически. Катод электрохимической ячейки изготовлен из порошка

изготовлен из порошка TiS2, смешанного для обеспечения механической прочности

с порошком тефлона и затем напресованного на металлическую сетку. Электролит представляет собой раствор соли лития (LiClO4) в неводном полярном растворителе, например диоксалане.

Слайд 34

Слайд 35 Анодом является полоска металлического лития, опущенная в электролит.

Анодом является полоска металлического лития, опущенная в электролит. При замыкании внешней

При замыкании внешней цепи, соединяющей электроды, в ней возникает

поток электронов от Li к TiS2, а ионы Li+ переносятся к катоду, где внедряются в TiS2 Скоростью внедрения, равно как и количеством внедренного лития, можно легко управлять, включив во внешнюю цепь источник регулируемого напряжения встречной полярности.

Слайд 36 В самом начале реакции электродвижущая сила ячейки, изображенной

В самом начале реакции электродвижущая сила ячейки, изображенной на рис. 2.10,

на рис. 2.10, составляет ~2,5 В, на основании чего

гальваническая пара Li/TiS2 представляет собой систему аккумулирования энергии. Аккумуляторные батареи такого типа способны при одинаковой массе хранить энергии в 3 – 4 раза большие, чем свинцово-кислотные батареи.

Слайд 37 Рассмотренные методы синтеза могут быть с успехом применены

Рассмотренные методы синтеза могут быть с успехом применены для получения других

для получения других соединений внедрения, в частности образуемых катионами

щелочных металлов, ионами Cu+, Ag+, H+, NH3+, органическими аминами и металлоценами. Помимо графита и дихалькогенидов переходных металлов способность образовывать соединения внедрения проявляют и другие вещества со слоистой или туннельной структурой.

Слайд 38 Среди них можно назвать Ta2S2C, NiPS3, FeOCl, V2O5,

Среди них можно назвать Ta2S2C, NiPS3, FeOCl, V2O5, MoO3, WO3, TiO2,

MoO3, WO3, TiO2, MnO2 и др. Особенно хорошо изучено

образование вольфрамовых бронз, в частности NaxWO3.

Слайд 39 Реакции ионного обмена
С помощью реакций ионного обмена также

Реакции ионного обменаС помощью реакций ионного обмена также можно получить новые

можно получить новые соединения. В структурах, анионный состав которых

имеют открытые слои или взаимопересекающиеся каналы, одни катионы способны к замещению на другие

Слайд 40 Много примеров применения реакций ионного обмена для синтетических

Много примеров применения реакций ионного обмена для синтетических целей можно найти

целей можно найти в химии соединений со структурой -глинозема.

Структура которого изображена на рис. 2.11. Структура -глинозема построена из шпинелеподобных блоков толщиной ~ 9А0, разделенных плоскостями проводимости. В этих плоскостях расположены ионы кислорода, играющие роль мостиков между шпинельными блоками.

Слайд 41

Слайд 42 Ионы натрия, благодаря неплотной упаковке кислорода имеют высокую

Ионы натрия, благодаря неплотной упаковке кислорода имеют высокую двумерную подвижность, придающую

двумерную подвижность, придающую -глинозему свойства катионпроводящего твердого электролита. Выдерживая

-глинозем в расплавах соответствующих солей (при температуре 3000С), можно осуществить замещение иона натрия на такие катионы как: Li+, K+, Rb+, Ag+, Cu+, Tl+, NH4+, In+,Ga+, NO+, NH3+

Слайд 43 Возможно также замещение натрия на двухзарядные ионы. Например

Возможно также замещение натрия на двухзарядные ионы. Например обмен на Ca+2

обмен на Ca+2 происходит при 600 - 8000 С.

Понятно, что для сохранения электронейтральности один ион кальция должен быть замещен на два иона натрия. Равновесная степень замещения, которая достигается при выдерживании кристаллов -глинозема в расплаве, зависит от состава последнего.

Слайд 44 Особенно легко осуществляется замещение ионов натрия на ионы

Особенно легко осуществляется замещение ионов натрия на ионы серебра. На рис.

серебра. На рис. 2.12 приведена такая зависимость для бинарных

смесей нитратов в расплаве (300 – 3500С). Ею можно воспользоваться для получения частично замещенных -глиноземов с заданным отношением подвижных катионов.

Слайд 45

Слайд 46 Катионное замещение в -глиноземе можно проводить электрохимически.
Основные закономерности

Катионное замещение в -глиноземе можно проводить электрохимически.Основные закономерности реакций ионного обмена,

реакций ионного обмена, установленные при изучении поведения соединений со

структурой -глинозема, справедливы и для многих других кристаллов, в первую очередь содержащих ионы щелочных металлов.

Слайд 47 Как и любые химические процессы, реакции ионного обмена

Как и любые химические процессы, реакции ионного обмена регламентируются термодинамическим и

регламентируются термодинамическим и кинетическим факторами. Принципиальная возможность прохождения ионного

обмена и равновесная степень замещения определяются термодинамическим фактором. Кинетика процесса в основном определяется подвижностью ионов в кристаллах.

Слайд 48 При 3000С ионы щелочных металлов весьма подвижны во

При 3000С ионы щелочных металлов весьма подвижны во многих структурах, поэтому

многих структурах, поэтому такие кристаллы могли бы претерпевать ионный

обмен в расплавах. Так, Ag2Si2O5 (силикат со слоистой структурой) был приготовлен путем обработки кристаллов Na2Si2O5 в расплаве AgNO3 при 2800С.

Слайд 49 Значительно сложнее проходит обмен при участии катионов с

Значительно сложнее проходит обмен при участии катионов с зарядом, больше единицы,

зарядом, больше единицы, так как образуемые ими прочные связи

делают их малоподвижными. Однако при значительном повышении температуры это затруднение можно преодолеть.

Слайд 50 Синтез метастабильных фаз с использованием приемов мягкой химии
Методы,

Синтез метастабильных фаз с использованием приемов мягкой химииМетоды, основанные на предварительном

основанные на предварительном получении промежуточных фаз, дают возможность существенно

снизить температуру образования конечного продукта по сравнению с обычным твердофазным взаимодействием.

Слайд 51 Используя образование промежуточных соединений, удается в некоторых случаях

Используя образование промежуточных соединений, удается в некоторых случаях синтезировать новые метастабильные

синтезировать новые метастабильные фазы, которые невозможно получить другими методами.

Будучи термодинамически неустойчивы, такие фазы в силу кинетических затруднений сохраняются до достаточно высоких температур.

Слайд 52 Их структура и структура промежуточного соединения чрезвычайно близки,

Их структура и структура промежуточного соединения чрезвычайно близки, а свойства интересны.

а свойства интересны. Приемы синтеза таких метастабильных фаз получили

название “мягкой химии”, что выразительно характеризует экспериментальные особенности этих методов. Рассмотрим два типичных примера.

Слайд 53 Новая полиморфная модификация диоксида титана TiO2 (В) синтезирована

Новая полиморфная модификация диоксида титана TiO2 (В) синтезирована из промежуточного соединения

из промежуточного соединения K2Ti4O9, которое было предварительно получено по

твердофазной реакции между KNO3 (источник K2O) и TiO2 (10000С). Обработка K2Ti4O9 азотной кислотой при комнатной температуре привела к образованию твердого продукта состава H2Ti4O9·H2O, из которого после дегидратации при 5000С и образовалась полиморфная модификация TiO2 (В).

Слайд 54 Структура этой формы близка к структуре K2Ti4O9
Новая

Структура этой формы близка к структуре K2Ti4O9 Новая гексагональная форма WO3

гексагональная форма WO3 была получена через промежуточную стадию образования

геля вольфрамовой кислоты. Гель, образовавшийся при подкислении раствора Na2WO4, подвергали гидротермальной обработке при 1200С и получали кристаллический гидрат 3WO3H2O. После обезвоживания гидрата при медленном нагревании на воздухе до 4200С была получена новая фаза.

Слайд 55 Методы электрохимического восстановления
Путем электрохимического восстановления удалось получить очень

Методы электрохимического восстановленияПутем электрохимического восстановления удалось получить очень многие кристаллические соединения,

многие кристаллические соединения, в том числе в виде монокристаллов

с хорошей огранкой. Некоторые соединения получены впервые благодаря этому методу.

Слайд 56 Электрохимическое восстановление сводится к электролизу расплава смеси компонентов,

Электрохимическое восстановление сводится к электролизу расплава смеси компонентов, из которой при

из которой при этом кристаллизуется конечный продукт. Примерами таких

процессов является восстановление ионов переходных металлов до низших степеней окисления и восстановление анионов кислородсодержащих кислот (фосфатов до фосфидов, карбонатов до карбидов, боратов до боридов и т.д.).

Слайд 57 Условия, необходимые для синтеза того или иного соединения,

Условия, необходимые для синтеза того или иного соединения, находят преимущественно эмпирически,

находят преимущественно эмпирически, а происходящие при этом реакции часто

не вполне понятны, потенциалы ионов при температуре расплава, как правило неизвестны.
В состав расплава обычно входят оксид металла, борат (фосфат, карбонат и т.п.) щелочного металла и галогенид щелочного металла.

Слайд 58 Смесь помещают в тигель из инертного к расплаву

Смесь помещают в тигель из инертного к расплаву и продуктам электролиза

и продуктам электролиза материала. Электроды, которые также должны быть

инертны, изготавливают из платины или графита. Представление о полученных соединениях и условиях их синтеза приведены в табл.

Слайд 59

Слайд 60 Получение материалов в виде тонких слоев и пленок
В

Получение материалов в виде тонких слоев и пленокВ современной технологии большую

современной технологии большую роль играют материалы в виде тонких

слоев и пленок, как кристаллических, так и аморфных. В частности без пленок немыслима миниатюризация электронных устройств Тонкослойные покрытия относятся к одним из самых прогрессивных способов защиты других материалов от разнообразных воздействий.

Слайд 61 В некоторых случаях переход к тонкопленочному состоянию приводит

В некоторых случаях переход к тонкопленочному состоянию приводит к появлению уникальных

к появлению уникальных свойств, обусловленных ничтожной толщиной и большим

отношением площади поверхности к объему.
Для получения тонких пленок разработано множество различных методов, которые можно разделить на две большие группы: физические и химические.

Слайд 62 Реакции образования пленок на поверхности твердого тела
Рассмотрим вначале

Реакции образования пленок на поверхности твердого телаРассмотрим вначале реакции, приводящие к

реакции, приводящие к образованию пленок на поверхности твердого тела.

Такие реакции происходят при взаимодействии твердого тела с жидкостью или газом. В наиболее простых случаях это процессы образования соединений из твердых тел элементарного состава.

Слайд 63 Типичным примером подобных реакций может служить окисление металлов.

Типичным примером подобных реакций может служить окисление металлов. Значение процессов переноса

Значение процессов переноса в этих и других реакциях с

участием твердой фазы можно проиллюстрировать на примере классического исследования сульфидирования металлического серебра, выполненного Вагнером.

Слайд 64 Пластина из металлического серебра была изолирована от расплавленной

Пластина из металлического серебра была изолирована от расплавленной серы, с которой

серы, с которой она должна была реагировать с помощью

двух пластин из -Ag2S, причем все слои находились в непосредственном контакте (рис. 77). Реакция осуществлялась при нагреве всей системы до 2000С.

Слайд 65

Слайд 66 Оказалось, что вес серебряной пластины уменьшился. Однако изменения

Оказалось, что вес серебряной пластины уменьшился. Однако изменения веса пластины -Ag2S,

веса пластины -Ag2S, прилегающей к серебряной, не произошло. Вес

другой пластины -Ag2S, соприкасающейся с расплавленной серой, возрос на величину, в точности равную убыли веса серябряной пластины. Это показывает, что механизм реакции включает диффузию серебра через слой сульфида серебра и реакции на поверхности Ag2S - S .

Слайд 67 Серебро диффундирует через -Ag2S в виде ионов, а

Серебро диффундирует через -Ag2S в виде ионов, а электронейтральность сохраняется за

электронейтральность сохраняется за счет эквивалентного потока электронов через слой

сульфида. Эти электроны затем восстанавливают серу на внешней поверхности, причем скорость всего процесса лимитируется диффузией ионов серебра через слой -Ag2S.

Слайд 68 Кинетика роста толстых пленок
Рост пленок на поверхности твердого

Кинетика роста толстых пленокРост пленок на поверхности твердого тела в зависимости

тела в зависимости от их толщины подчиняется различным законам.

Для толстых пленок, толщиной 1000 А и более, толщина пленок может изменяться со временем или линейно
 = At
или по параболическому закону
2 = В + Сt

Слайд 69 Линейный закон применим к реакции на поверхности твердого

Линейный закон применим к реакции на поверхности твердого тела, приводящей к

тела, приводящей к образованию пленки, слабо связанной с поверхностью,

такая пленка легко отслаивается от металла, поэтому возле металла всегда имеется избыток газа. Скорость реакции d/dt = A не зависит от времени. Подобным образом протекает окисление щелочных и щелочноземельных металлов.

Слайд 70 В более общем случае этот закон применим к

В более общем случае этот закон применим к системам, в которых

системам, в которых скорость реакции определяется реакциями на границе

между металлом и пленкой.
Параболический закон описывает процесс роста, лимитируемый диффузией через пленку, прочно связанную с поверхностью

Слайд 71 Отклонения от параболического и линейного закона роста могут

Отклонения от параболического и линейного закона роста могут быть следствием побочных

быть следствием побочных явлений, таких как повторяющиеся процессы растрескивания

и залечивания трещин.
Рассмотрим взаимодействие металла М с газом Х, которое приводит к образованию соединения МХ.

Слайд 72 Предполагается, что МХ содержит катионные вакансии VМ, являющиеся

Предполагается, что МХ содержит катионные вакансии VМ, являющиеся акцепторами электронов. Положительно

акцепторами электронов. Положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные вакансии

VM- почти полностью ионизированы.
Вакансии образуются на внешней поверхности пленки МХ вследствие избыточного давления в этом месте атомов Х, а их концентрация в направлении поверхности раздела металл – пленка, уменьшаются.

Слайд 73 Поток вакансий от внешней поверхности к поверхности раздела

Поток вакансий от внешней поверхности к поверхности раздела соответствует диффузии атомов

соответствует диффузии атомов металла в обратном направлении, т.е. к

внешней поверхности, где они взаимодействуют с атомами газа Х.
Движущей силой возникновения градиента концентраций атомов М по толщине пленки является изменение свободной энергии при протекании химической реакции.

Слайд 74 В стационарном состоянии образуется направленный внутрь диффузионный поток

В стационарном состоянии образуется направленный внутрь диффузионный поток вакансий VM- .

вакансий VM- . Дырки, образующиеся в результате ионизации вакансий,

также формируют поток через пленку, в том же направлении.

Слайд 75 Соответствующий этому электрический ток точно эквивалентен потоку заряженных

Соответствующий этому электрический ток точно эквивалентен потоку заряженных вакансий, поскольку в

вакансий, поскольку в стационарном состоянии результирующий поток электрических зарядов

должен быть равен нулю. Это схематически показано на рис. 78.

Слайд 76

Слайд 77 Если концентрации вакансий и дырок повсюду точно равны,

Если концентрации вакансий и дырок повсюду точно равны, их концентрационные градиенты

их концентрационные градиенты также должны быть равными. Однако вследствие

различия в подвижности поток частиц одного типа, должен превышать поток частиц другого типа, за счет чего нарушается равномерность в распределении зарядов.

Слайд 78 Это должно привести к разделению зарядов и постепенному

Это должно привести к разделению зарядов и постепенному накоплению пространственного заряда

накоплению пространственного заряда в пленке. Однако разность потенциалов по

толщине пленки, возникающая вследствие разделения зарядов, препятствует дальнейшему протеканию процесса, и в действительности разность потенциалов достигает значений, соответствующих равенству двух потоков электричества в стационарных условиях и наличия небольшого слоя пространственного заряда в пленке.

Слайд 79 где D- коэффициент диффузии,  - подвижность.
Потоки частиц

где D- коэффициент диффузии,  - подвижность.Потоки частиц через 1 см2

через 1 см2 плоскости пленки на расстоянии х от

металла:

Слайд 80 Первые члены в правой части уравнения соответствуют потоку,

Первые члены в правой части уравнения соответствуют потоку, обусловленному градиентами концентраций

обусловленному градиентами концентраций носителей того и другого типа, а

вторые члены – потокам, обусловленным возникающим градиентом потенциала. Градиент потенциала – отрицателен, а концентрационные градиенты - положительны

Слайд 81 Используем уравнение Эйнштейна, связывающее коэффициент диффузии с подвижностями,

Используем уравнение Эйнштейна, связывающее коэффициент диффузии с подвижностями, и подставим уравнение

и подставим уравнение (9.3) в (9.4), чтобы вычислить d/dx

Слайд 82 Поскольку полная электропроводность  выражается в виде суммы

Поскольку полная электропроводность  выражается в виде суммы вкладов дырок и

вкладов дырок и заряженных вакансий

Чтобы вычислить полный поток частиц,

который определяет скорость роста, подставим d/dx из (9.5) в (9.3б). Результирующее выражение можно упростить, если учесть, что
по всей пленке.

Слайд 83 Кроме того,
так что проводимость во многом определяется первым

Кроме того,так что проводимость во многом определяется первым членом в правой

членом в правой части уравнения (9.6). После этого находим,

что скорость потока металла М к внешней поверхности равна:


Таким образом, в результате только одной диффузии в поле возникает двойной поток.

Слайд 84 Если число ионов металла на единицу объема равно

Если число ионов металла на единицу объема равно М, скорость увеличения

М, скорость увеличения толщины пленки 


где [VM-] –

разность концентраций вакансий на внешней поверхности и на границе раздела между пленкой и металллом.

Слайд 85 Рост пленки в этом случае описывается параболическим законом.
В

Рост пленки в этом случае описывается параболическим законом.В общем случае вакансии

общем случае вакансии и междоузельные атомы всех типов участвуют

в реакции на поверхности. Часто однако достаточно рассмотреть лишь один тип дефектов. Например, в реакции окисления меди до Cu2O необходимо учитывать только катионные вакансии.

Слайд 86 Они возникают на внешней поверхности пленки и разряжаются

Они возникают на внешней поверхности пленки и разряжаются на поверхности раздела

на поверхности раздела окисел – медь. Концентрации [Vcu-] и

[h+] повсюду приблизительно равны и уменьшаются по линейному закону в направлении от внешней поверхности к поверхности раздела. Полученное уравнение скорости роста пленки применимо и в этом случае.

Слайд 87 Можно ожидать, что концентрация вакансий меди на поверхности

Можно ожидать, что концентрация вакансий меди на поверхности раздела окисел –

раздела окисел – газ будет пропорциональна давлению кислорода в

степени 1/8:

Слайд 88

Слайд 89 Если вакансии не ионизированы, их концентрация должна зависеть

Если вакансии не ионизированы, их концентрация должна зависеть от давления в

от давления в степени ¼. Экспериментально найденная зависимость является

промежуточной между указанными выражениями. Частичная ионизация не нарушает параболическую зависимость, поскольку отношение числа заряженных вакансий к числу незаряженных от концентрации не зависит.

Слайд 90 Поскольку скорость реакции зависит от процесса диффузии в

Поскольку скорость реакции зависит от процесса диффузии в твердом теле, примеси

твердом теле, примеси которые изменяют условия диффузии, должны приводить

к изменению скорость реакции окисления. Это наблюдалось в реакции серебра с бромом, приводящей к образованию AgBr. Если к серебру добавить кадмий, он также входит в состав продукта взаимодействия.

Слайд 91 Причем на каждый ион Cd+2 приходится вакантный узел,

Причем на каждый ион Cd+2 приходится вакантный узел, ранее занятый серебром.

ранее занятый серебром. Это приводит к снижению концентрации ионов

серебра в междоузлиях и дырок, а в итоге, как следует из данных анализа, и к уменьшению скорости окисления серебра.

Слайд 92 Соотношение скоростей окисления серебра с добавкой кадмия и

Соотношение скоростей окисления серебра с добавкой кадмия и без добавки приблизительно

без добавки приблизительно равно
(1- Кf1/2[Cd]), где Кf – константа

равновесия для дефектов по Френкелю.

Слайд 93 Кинетика роста тонких пленок
Если толщина пленки менее ~

Кинетика роста тонких пленокЕсли толщина пленки менее ~ 1000 А0, ее

1000 А0, ее рост подчиняется несколько иным закономерностям. Так,

при исследовании тонких пленок наблюдалось три вида зависимости скорости роста тонкой пленки от времени

Слайд 94 При расчете распределения потенциала и его влияния на

При расчете распределения потенциала и его влияния на диффузию дефектов через

диффузию дефектов через пленку необходимо принимать во внимание, что

слой пространственного заряда в поверхностных областях для тонких пленок занимает значительную долю их толщины.

Слайд 95 Кроме того, изменение кинетических закономерностей, вследствие изменения глубины

Кроме того, изменение кинетических закономерностей, вследствие изменения глубины слоя пространственного заряда

слоя пространственного заряда может происходить при достижении критической толщины

пленки. Это в частности относится к окисным пленкам на поверхности меди и никеля.

Слайд 96 При изучении роста очень тонких пленок следует принимать

При изучении роста очень тонких пленок следует принимать во внимание возможность

во внимание возможность ограничения скорости роста процессами переноса по

поверхности пленки, а не переносом через пленку. Процессы переноса по поверхности в свою очередь зависят от распределения потенциала в пленке в близи поверхности. Так, при окислении алюминия скорость резко падает до очень низкого значения после образования нескольких первых слоев.

Слайд 97 Скорость окисления алюминия определяется стадией перехода алюминия в

Скорость окисления алюминия определяется стадией перехода алюминия в виде ионов Al+3

виде ионов Al+3 через границу раздела металл – окисел

в междоузлия решетки окисла. Согласно теории при переходе металла в междоузлие окисла, связанного с металлом, ион металла должен преодолеть потенциальный барьер.

Слайд 98 Этот барьер намного больше того, который приходится преодолевать

Этот барьер намного больше того, который приходится преодолевать иону при переходе

иону при переходе из одного междоузлия в другое, так

что скорость диффузии в самом окисле не определяет скорости окисления в целом.
Вероятность того, что такой переход произойдет определяется выражением e-E/kT, где -частота колебаний атома, Е-высота барьера

Слайд 99 Скорость переходов повышается под действием электрического поля, возникающего

Скорость переходов повышается под действием электрического поля, возникающего в результате адсорбции

в результате адсорбции на внешней поверхности ионов кислорода, поскольку

они притягивают ионы Al+3 через слой окисла. Скорость роста пленки дается выражением

где к и к’-константы,  - разность потенциалов, обусловленная адсорбированными ионами кислорода

Слайд 100 Эта зависимость показывает, что при очень малой толщине

Эта зависимость показывает, что при очень малой толщине пленки  скорость

пленки  скорость роста может быть большой, но с

увеличением  она очень быстро уменьшается, следовательно толщина пленки почти всегда ограничена.

Слайд 101 Химические и электрохимические методы
Нанесение катодных покрытий. Разность потенциалов,

Химические и электрохимические методыНанесение катодных покрытий. Разность потенциалов, между двумя электродами,

между двумя электродами, опущенными в раствор электролита, вызывает осаждение

ионов металла на катоде в виде тонкого слоя. Анодный процесс сводится к постепенному окислению и переходу ионов металла в раствор.

Слайд 102 Безэлектродное нанесение покрытий. Этот процесс отличается от предыдущего

Безэлектродное нанесение покрытий. Этот процесс отличается от предыдущего только тем, что

только тем, что его осуществляют без наложения внешнего электрического

поля. Таким способом обычно получают никелевые покрытия. Применение обоих методов ограничено нанесением металлических слоев на подложки, обладающие электронной проводимостью, т.е. металлы.

Слайд 103 Анодное оксидирование. Этот метод применяют для нанесения тонких

Анодное оксидирование. Этот метод применяют для нанесения тонких оксидных слоев на

оксидных слоев на поверхность таких металлов как Tl, Nb,

Zr, Al, Ti. Анод из одного из перечисленных металлов погружают в раствор соли или кислоты (электролита). Ионы кислорода, транспортируемые к аноду, разряжаясь на нем, образуют тонкий слой оксида.

Слайд 104 При увеличении напряжения на электродах рост оксидной пленки

При увеличении напряжения на электродах рост оксидной пленки ускоряется благодаря более

ускоряется благодаря более интенсивному выделению, и следовательно, ускоренному диффузионному

проникновению кислорода через окисленный слой. Обычно достигаемое равновесное значение толщины слоя зависит от величины приложенного напряжения.

Слайд 105 Анодные оксидные слои на поверхности металла образуются также

Анодные оксидные слои на поверхности металла образуются также на электродах газоразряженных

на электродах газоразряженных трубок в условиях тлеющего разряда.
Термическое оксидирование.

Некоторые вещества, окисляясь на воздухе, покрываются инертной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему окислению.

Слайд 106 Так, на поверхности алюминия в присутствии кислорода (в

Так, на поверхности алюминия в присутствии кислорода (в том числе и

том числе и просто на воздухе) образуется оксидная пленка,

толщина которой меняется симбатно температуре окисления, а для комнатной температуры составляет 30 – 40 А0. В результате таких гетерогенных реакций на поверхности твердых тел можно получать не только оксидные, но и другие покрытия.

Слайд 107 В частности обработка некоторых металлов в атмосфере аммиака

В частности обработка некоторых металлов в атмосфере аммиака при повышенных температурах

при повышенных температурах приводит к образованию на поверхности пленок

нитридов.
Покрытия, получаемые при химическом разложении паров. Этот метод используется для получения тонких кристаллических пленок высокочистых полупроводниковых материалов.

Слайд 108 Образование пленок происходит в момент разложения газов или

Образование пленок происходит в момент разложения газов или паров при пиролизе

паров при пиролизе УФ- и ИК-фотолизе или при химическом

взаимодействии. Например:

Слайд 109 смещается вправо при понижении температуры, что можно использовать

смещается вправо при понижении температуры, что можно использовать при нанесении покрытий

при нанесении покрытий на поверхность с температурой более низкой,

чем температура газовой фазы

Кроме того, могут быть использованы некоторые обратимые реакции, равновесие которых значительно смещается при изменении температуры. Например, равновесие диспропорционирования

Слайд 110 Пленки, осажденные из паровой фазы, часто наследуют структуру

Пленки, осажденные из паровой фазы, часто наследуют структуру подложки благодаря эпитаксиальному

подложки благодаря эпитаксиальному механизму роста. Эпитаксиальные пленки могут также

кристаллизоваться из жидкой фазы. Для этого используют охлаждение растворов осаждаемого соединения в расплавах легкоплавких металлов таких как индий или свинец.

Слайд 111 Физические методы
Катодное распыление. Схема установки изображена на рис.

Физические методыКатодное распыление. Схема установки изображена на рис. 2.14 а. Анод

2.14 а. Анод и катод расположены в камере, заполненной

инертным газом (Ar, Xe) под давлением 10 = 100 Па. Напряжение в несколько киловольт, приложенное к электродам вызывает в газе тлеющий разряд

Слайд 112

Слайд 113 Положительные ионы газа, двигаясь к катоду. Разгоняются и

Положительные ионы газа, двигаясь к катоду. Разгоняются и бомбардируют мишень, выбивая

бомбардируют мишень, выбивая при этом частицы материала мишени, которые

далее осаждаются на окружающие поверхности, включая подложку. Последнюю предварительно устанавливают на определенном расстоянии и под определенным углом относительно мишени.

Слайд 114 В современном оборудовании для катодного распыления используют различные

В современном оборудовании для катодного распыления используют различные усовершенствования, в том

усовершенствования, в том числе предотвращающие загрязнение пленки атомами или

ионами инертного газа.
Испарение в вакууме как наиболее простой метод изготовления тонких пленок имеет наибольшее распространение.

Слайд 115 Таким образом получают пленки чистых металлов, сплавов, полупроводниковых

Таким образом получают пленки чистых металлов, сплавов, полупроводниковых и изоляционных материалов,

и изоляционных материалов, неорганических солей и т.п. Схема установки

изображена на рис. 2.14 б., рабочее давление в такой установке должно быть  10-1Па. Под действием электрического нагрева вещество из испаряемого источника переходит в газовую фазу и конденсируется на подложке.

Слайд 116 Выбор материала подложки диктуется назначением и требованиями к

Выбор материала подложки диктуется назначением и требованиями к качеству напыляемой пленки.

качеству напыляемой пленки. В частности для пленок, применяемых в

электронике, подложка, выполняющая роль механической основы, должна быть изолятором. Типичные материалы таких подложек – керамика из Al2O3, стекла, галогениды щелочных металлов, кремний, германий…

Слайд 117 Материал контейнера – испарителя, выдерживающий очень высокие температуры,

Материал контейнера – испарителя, выдерживающий очень высокие температуры, должен быть инертен

должен быть инертен по отношению к испаряемому веществу. Для

этой цели используют тантал, вольфрам и молибден. Нередко очень важна чистота поверхности подложки, подвергаемой напылению. В частности, глубокая очистка подложки необходима для хорошей адгезии пленки и получения пленок высокочистых веществ.

Слайд 118 Выращивание монокристаллов
Монокристаллы могут быть получены при кристаллизации из

Выращивание монокристалловМонокристаллы могут быть получены при кристаллизации из газовой, жидкой и

газовой, жидкой и твердой фаз. Однако монокристаллы с размерами,

пригодными для практического использования или измерения свойств, обычно получают только из газовой или жидкой сред.

Слайд 119 Метод Чохральского
Этот метод в основном применяется для получения

Метод ЧохральскогоЭтот метод в основном применяется для получения монокристаллов, состав которых

монокристаллов, состав которых тождественен исходному расплаву. Затравочный кристалл приводят

в соприкосновение с поверхностью расплава, температура которого немного превышает температуру расплава.

Слайд 120 При постепенном движении затравки вверх на ее поверхности,

При постепенном движении затравки вверх на ее поверхности, обращенной к расплаву,

обращенной к расплаву, происходит кристаллизация, в результате чего получаются

удлиненные кристаллы с той же кристаллографической ориентацией, которой обладала затравка. При вытягивании кристалла расплав и кристалл вращаются в противоположных направлениях (рис. 2 15).

Слайд 121

Слайд 122 Это позволяет уменьшить температурные и концентрационные неоднородности при

Это позволяет уменьшить температурные и концентрационные неоднородности при кристаллизации и таким

кристаллизации и таким образом улучшить качество полученного монокристалла.
Метод Чохральского

широко используется при получении монокристаллов полупроводниковых материалов таких как Si, Ge, GaAs.

Слайд 123 Для предотвращения потерь за счет испарения при работе

Для предотвращения потерь за счет испарения при работе с летучими элементами

с летучими элементами (As, P и др.) процесс проводят

как правило при высоком давлении инертного газа. Выращиваются также и более сложные по составу материалы, например легированный неодимом Ca(NbO3)2, применяемый в качестве рабочего вещества в лазерах.

Слайд 124 Метод Бриджмена и Стокбаргера
Эти методы также основаны на

Метод Бриджмена и СтокбаргераЭти методы также основаны на кристаллизации расплава, стехиометрия

кристаллизации расплава, стехиометрия которого в точности соответствует стехиометрии будущего

кристалла. Однако в этом методе кристаллизация осуществляется в наиболее холодной части расплава, находящегося в зоне с температурным градиентом.

Слайд 125 В методе Стокбаргера это осуществляется путем относительного перемещения

В методе Стокбаргера это осуществляется путем относительного перемещения расплава и градиентной

расплава и градиентной зоны, а в методе Бриджмена –

путем постепенного охлаждения печи с температурным градиентом, в которой неподвижно расположен расплав. Рекомендуют также вводить затравку и контролировать состав газовой фазы.

Слайд 126 Рис. 216 а. Метод Стокбаргера

Рис. 216 а. Метод Стокбаргера

Слайд 127 Рис. 216. б. Метод Биджмена

Рис. 216. б. Метод Биджмена

Слайд 128 Зонная плавка
Этот метод похож на метод Стокбаргера, однако

Зонная плавкаЭтот метод похож на метод Стокбаргера, однако температурный профиль печи

температурный профиль печи таков, что только небольшая часть вещества,

из которой должен расти монокристалл, в каждый момент времени находится в расплавленном состоянии (рис. 2.16 в). Вначале плавят ту часть вещества, которая примыкает к затравочному кристаллу

Слайд 129 Рис. 216 в. Метод зонной плавки

Рис. 216 в. Метод зонной плавки

Слайд 130 Рис. 216.г. Метод Вернейля

Рис. 216.г. Метод Вернейля

Слайд 131 При дальнейшем протягивании лодочки через печь и последовательном

При дальнейшем протягивании лодочки через печь и последовательном плавлении остального вещества

плавлении остального вещества происходит направленная кристаллизация. На этом принципе

основана также зонная очистка – широко известный метод очистки твердых тел. Используя тот факт, что примеси концентрируются преимущественно в расплаве, постепенно перемещая зону расплава, их “выгоняют” из расплава

Слайд 132 Метод зонной плавки используют для очистки и роста

Метод зонной плавки используют для очистки и роста монокристаллов даже таких тугоплавких металлов, как вольфрам

монокристаллов даже таких тугоплавких металлов, как вольфрам

Слайд 133 Кристаллизация из растворов или расплавов
В отличие от предыдущих

Кристаллизация из растворов или расплавовВ отличие от предыдущих методов, в которых

методов, в которых расплав затвердевает в виде кристаллов тождественного

состава, в методе кристаллизации из растворов состав полученного кристалла отличается от состава раствора. Растворитель может быть одним из компонентов будущего кристалла или нет.

Слайд 134 Например, кристаллы SiO2 и различных силикатов с высокими

Например, кристаллы SiO2 и различных силикатов с высокими температурами плавления получают

температурами плавления получают из расплавов легкоплавких боратов или галогенидов,

в которых интересующий компонент растворен.
В этих и подобных случаях расплав-растворитель выполняют роль флюса, понижающего температуру плавления целевого кристаллического продукта.

Слайд 135 В частности, разработана методика получения монокристаллов твердых электролитов

В частности, разработана методика получения монокристаллов твердых электролитов - и ”-Al2O3 из боратных расплавов.

- и ”-Al2O3 из боратных расплавов.

Слайд 136 Эпитаксиальный рост тонких слоев
Для получения монокристаллических тонких слоев,

Эпитаксиальный рост тонких слоевДля получения монокристаллических тонких слоев, которые используются во

которые используются во многих электронных устройствах, разработаны специальные методы.

Они основаны на принципе ориентированного соответствия между растущим кристаллом и кристаллом – затравкой.

Слайд 137 Рост кристалла при сохранении двумерного соответствия называется эпитаксиальным,

Рост кристалла при сохранении двумерного соответствия называется эпитаксиальным, а при сохранении

а при сохранении трехмерного соответствия - топотаксическим.
При эпитаксиальном росте

тонких слоев ориентированный рост происходит на поверхности подложки.

Слайд 138 В качестве подложки могут быть использованы кристаллы того

В качестве подложки могут быть использованы кристаллы того же или подобного

же или подобного состава, а также кристаллы с иной

природой, но с параметрами решетки, отличающимися от параметров получаемого слоя не более чем на несколько процентов.

Слайд 139 Так, тонкие слои GaAs выращивают, осаждая из паровой

Так, тонкие слои GaAs выращивают, осаждая из паровой фазы на подложки

фазы на подложки из Al2O3, шпинели MgAlO4, Ge, ThO2.

При приготовлении тонких монокристаллических слоев путем эпитаксиального роста из жидкостей, необходимо наличие фазовых диаграмм соответствующих систем.

Слайд 140 Газоплазменный метод Вернейля
Впервые этот метод был использован в

Газоплазменный метод ВернейляВпервые этот метод был использован в 1904 г. для

1904 г. для выращивания монокристаллов тугоплавких оксидов, в том

числе искусственных драгоценных камней – рубинов и сапфиров. Тонкий порошок шихты подается в факел кислородно-водородного или другого высокотемпературного пламени и после плавления в виде мелких капель попадает на затравочный кристалл
  • Имя файла: himicheskie-reaktsii.pptx
  • Количество просмотров: 103
  • Количество скачиваний: 0
- Предыдущая Организация и основные устройства память компьютера
Следующая - Компьютерное моделирование

Похожие презентации

Наружная реклама г. Калининграда Наружная реклама г. Калининграда 108
Концепции и родовые признаки бизнеса Концепции и родовые признаки бизнеса 246
Многофункциональное пособие Лодочка презентация к уроку (средняя, старшая, подготовительная группа) Многофункциональное пособие Лодочка презентация к уроку (средняя, старшая, подготовительная группа) 111
Понятие бюджетного устройства. Понятие бюджетного устройства. 111
Чтобы не было беды материал Чтобы не было беды материал 172
Презентация Развитие мелкой моторики рук у дошкольников презентация Презентация Развитие мелкой моторики рук у дошкольников презентация 106
Валюта и валютные курсы.Мировая валютно-финансовая система.Россия в международном экономическом пространстве.. Валюта и валютные курсы.Мировая валютно-финансовая система.Россия в международном экономическом пространстве.. 115
Интеграция детской деятельности презентация к уроку по теме Интеграция детской деятельности презентация к уроку по теме 127
Конспект родительского собрания Навыки самообслуживания план-конспект занятия (младшая группа) по теме Конспект родительского собрания Навыки самообслуживания план-конспект занятия (младшая группа) по теме 107
Храм Василия Блаженного Храм Василия Блаженного 79
Твочество Сергея Есенина русский поэт Твочество Сергея Есенина русский поэт 141
Социальное проектирование Социальное проектирование 108
Конспект непосредственно образовательной деятельности педагога с детьми по социально-коммуникативному развитию по теме Семья план-конспект занятия (старшая группа) по теме Конспект непосредственно образовательной деятельности педагога с детьми по социально-коммуникативному развитию по теме Семья план-конспект занятия (старшая группа) по теме 98
Pele Pele 109
презентацияРождество презентация к уроку (подготовительная группа) презентацияРождество презентация к уроку (подготовительная группа) 104
Презентация №1 к родительскому собранию Развитие речи детей раннего возраста консультация по теме Презентация №1 к родительскому собранию Развитие речи детей раннего возраста консультация по теме 93
Презентация Сказочная Гжель проект Презентация Сказочная Гжель проект 118
развитие мелкой моторики у детей с 4 - 6 лет развитие мелкой моторики у детей с 4 - 6 лет 98
Консультация для воспитателей Профстандарт педагога – развивающая деятельность консультация Консультация для воспитателей Профстандарт педагога – развивающая деятельность консультация 123
Силы,которые управляют рынком. Спрос и предложение товаров. презентация к уроку Силы,которые управляют рынком. Спрос и предложение товаров. презентация к уроку 48
Игра в экологическом воспитании детей презентация к уроку по теме Игра в экологическом воспитании детей презентация к уроку по теме 105
Деловая игра Документооборот в организации Деловая игра Документооборот в организации 168
Призентация Гимнастика для глаз презентация к уроку (младшая группа) Призентация Гимнастика для глаз презентация к уроку (младшая группа) 105
Муниципальное Общеобразовательное Учреждение Средняя Образовательная Школа № 64 имени Б. Ручьева Муниципальное Общеобразовательное Учреждение Средняя Образовательная Школа № 64 имени Б. Ручьева 113
Вред детских игрушек консультация (младшая группа) Вред детских игрушек консультация (младшая группа) 113
Corporation Corporation 121
Критерии выбора образовательного учреждения для ребёнка.Исследовательская работа. Мониторинг родителей. презентация к уроку (1 класс) Критерии выбора образовательного учреждения для ребёнка.Исследовательская работа. Мониторинг родителей. презентация к уроку (1 класс) 93
Мой папа лучше всех! Мой папа лучше всех! 118
Содержание! Содержание! 185
Физическое развитие детей дошкольного возраста и ФГОС презентация к уроку ( группа) Физическое развитие детей дошкольного возраста и ФГОС презентация к уроку ( группа) 120