Способ получения пленок пористого кристаллического диоксида олова

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров. Способ получения пленок пористого кристаллического диоксида олова включает создание композита на основе матрицы, в качестве которой используют слои многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ). Композит формируют путем магнетронного нанесения на матрицу нестехиометрического аморфного оксида олова (МУНТ/SnOx). Затем проводят удаление матрицы посредством термической обработки на воздухе при температуре 400-700°С в течение 15-45 минут. Изобретение позволяет повысить чистоту пленок пористого кристаллического диоксида олова, в котором отсутстуют нежелательные примеси. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров.

Известны методы получения наноматериалов, основанные на использовании газофазного синтеза, плазмохимии, осаждений из полученных растворов и т.д. [1]. Они планируют получение высокодисперсных нанокристаллических порошков твердой среды, в частности оксидов с последующим компактированием, в том числе осаждением на подложку (патент США №6036774).

Известен способ получения высоко дисперсного порошка диоксида олова (А. с. СССР №1696390), который основан окисление металлического олова кислородом при температуре 1700-3200°С при определенных углах подачи струи кислорода в реакционную зону.

Рассмотренные методы в своей основе предполагают использование уже высокодисперсных порошков металла, либо реализацию синтеза оксида при высоких температурах, давлениях и других энергетически затратных условиях. С использованием данных методов после компактирования получают беспористые или малопористые консолидированные наноматериалы. В то время как для определенных сфер применения, например, аноды литий-ионных батарей, электроды суперконденсаторов и чувствительные элементы газовых сенсоров, использование пористых наноматериалов с чрезвычайно высокой удельной поверхностью позволит значительно улучшить эксплуатационные характеристики изделий.

Одним из наиболее распространенных и перспективных способов получения пористых наноматериалов является золь-гель метод. Получаемые с его использованием материалы обладают рядом уникальных свойств: высокая химическая однородность получаемых продуктов, позволяющая существенно снизить температуру и продолжительность термообработки, возможность контролировать размер частиц и структуру пор материалов на разных стадиях синтеза. Достоинством золь-гель метода является то, что механические свойства золей и гелей позволяют применять их для получения волокон, пленок и композитов путем нанесения золя на подложку или пропитки пористого материала. Но у этого метода есть серьезные недостатки: он не обеспечивает монодисперсности частиц; не позволяет получать двумерные и одномерные наноструктуры и контролировать их параметры анизотропии; этим методом нельзя синтезировать пространственно-упорядоченные структуры, состоящие из наночастиц, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, или параллельных нанопластин с прослойками инертной матрицы; получение требуемых систем невозможно из-за химического взаимодействия прекурсоров или продуктов синтеза с гелеобразующим агентом. К недостаткам также можно отнести многостадийность и высокую продолжительность процесса, использование небезопасных экологически вредных химических реактивов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения тонких пленок, содержащих наноструктурированный диоксид олова (патент РФ №2379784), который заключается в получении однородных упорядоченных структур диоксида олова. Предварительно посредством электрохимического анодного окисления в растворах кислот на алюминии формируется пористая оксидная пленка с регулярной наноструктурой в виде одинаковых пористых ячеек с диаметром пор 10-30 нм и плотностью (10-70)⋅109 частиц на см2, расположенных ортогонально поверхности алюминия. Затем поры в ячейках наноструктурированного оксида алюминия электрохимически заполняют металлическим оловом, после чего окисляют олово на воздухе при температуре 250-450°С в течение 40-90 минут. В результате образуются тонкие пленки, содержащие наноструктурированный диоксид олова.

К недостаткам данного метода следует отнести то, что в сформированных пленках помимо однородных упорядоченных структур наноструктурированного диоксида олова (что является целью метода) сохраняется исходная матрица пористого оксида алюминия, которая может затруднять или делать менее эффективным практическое использование полученных пленок.

Целью изобретения является создание технологичного метода получения пленок пористого кристаллического диоксида олова, в которых отсутствуют нежелательные примеси.

Предлагаемый способ получения пленок пористого кристаллического диоксида олова включает создание композита на основе матрицы и отличается тем, что в качестве матрицы используют слои многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), композит формируют путем магнетронного нанесения на матрицу нестехиометрического аморфного оксида олова (МУНТ/SnOx), с последующим удалением матрицы посредством термической обработки на воздухе при температуре 400-700°С в течение 15-45 минут.

На Фиг. 1 представлены сканирующие электронно-микроскопические (СЭМ) изображения: а - поверхность слоя МУНТ; b - поверхность композита MУHT/SnOx; с - поверхность пленки пористого кристаллического диоксида олова; d - торцевой скол пористого SnO2 на подложке SiO2/Si.

Композиты МУНТ/SnOx (Фиг. 1 b) были сформированы по ранее отработанной методике [2, 3] методом магнетронного распыления оловянной мишени (Sn 99.9%) в аргон-кислородной плазме на слоях МУНТ (Фиг. 1 а) толщиной 10-20μm, выращенных методом CVD (Chemical Vapor Deposition) при пиролизе смеси ацетонитрила и ферроцена (100:2) на подложках SiO2/Si. Для удаления МУНТ и формирования пленки пористого SnO2 использовался отжиг на воздухе. Посредством варьирования режимов отжига удалось добиться положительного результата при нагреве композита МУНТ/SnOx от 400 до 700°С в течение 15-45 минут (Фиг. 1 с, d).

СЭМ изображение (Фиг. 1 b), а также результаты ранее проведенных исследований [2, 3] показывают, что для композитов МУНТ/SnOx, сформированных методом магнетронного напыления, наблюдается достаточно равномерное распределение металлоксидного слоя по всей поверхности углеродных трубок. После отжига на воздухе формируется пленка в виде однородного слоя толщиной порядка 5 μm, состоящего из сферических частиц со средним размером ~ 0.1 μm. Анализ элементного состава, выполненный по трем точкам посредством EDX (energy-dispersive X-ray spectroscopy), показал отсутствие углерода в отожженном образце, преобладающего в исходном композите (таблица). Отношение атомных концентраций кислорода и олова для отожженного образца свидетельствует о формировании диоксида олова. Сформированные пленки состоят только из упорядоченных структур нанокристаллического диоксида олова и не содержат исходной матрицы. Помимо этого, в нашем случае структура состоит из связанных между собой кластеров кристаллического диоксида олова с высокой удельной поверхностью устойчиво закрепленных на подложке SiO2/Si. Данные факторы делают полученный материал весьма перспективным для изготовления анодов литий-ионных батарей, суперконденсаторов и чувствительных элементов газовых сенсоров.

Пример осуществления способа.

Слои МУНТ получены методом газофазного осаждения при пиролизе смеси ацетилонитрила и ферроцена (100:1) на подложках из монокристаллического кремния с поверхностным термическим оксидом толщиной 100 нм. Синтез МУНТ проведен в реакторе при температуре 800°С в течение 12 минут. Толщина выращенного слоя МУНТ составила ~ 15 μm.

Композиты МУНТ/SnOx сформированы методом магнетронного распыления оловянной мишени (Sn 99.9%) в аргон-кислородной плазме на слоях МУНТ при давлении в камере ~ 7.5⋅10-6 Торр. Парциальное давление кислорода составляет ~ 1.5⋅10-5 Торр. Ток разряда составляет 100 мА при напряжении 500 В.

Для удаления МУНТ и формирования пленки пористого кристаллического диоксида олова проводят отжиг на воздухе при температуре 500°С в течение 30 минут. Посредством этого удалось создать однородную пленку пористого кристаллического диоксида олова на подложке SiO2/Si с характерным размером частиц олова ~ 0.1 μm (Фиг. 1, с) и толщиной ~ 5 μm (Фиг. 1, d).

Источники информации

1. А.И. Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007, с. 416

2. Болотов В.В., Кан В.Е., Корусенко П.М., Несов С.Н., Поворознюк С.Н., Пономарева И.В., Росликов В.Е., Стенькин Ю.А., Шелягин Р.В., Князев Е.В. Механизмы формирования слоев нанокомпозитов на основе многостенных углеродных нанотрубок и нестехеометрического оксида олова. ФТТ. 2012. Т. 54. Вып. 1. С. 154-161.

3. Несов С.Н., Болотов В.В., Корусенко П.М., Поворознюк С.Н., Вилков О.Ю. Межфазное взаимодействие в композите на основе многостенных углеродных нанотрубок и аморфного оксида олова. ФТТ. 2016. Т. 58. Вып. 5. С. 966-971.

Способ получения пленок пористого кристаллического диоксида олова, включающий создание композита на основе матрицы, отличающий тем, что в качестве матрицы используют слои многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ), композит формируют путем магнетронного нанесения на матрицу нестехиометрического аморфного оксида олова (МУНТ/SnOx) с последующим удалением матрицы посредством термической обработки на воздухе при температуре 400-700°С в течение 15-45 минут.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности к плазменной химико-термической обработке титановых сплавов, и может быть использовано в машиностроении для повышения износостойкости и коррозионной стойкости деталей машин.

Изобретение относится к магнетронному распылению составной мишени с частями, изготовленными из отдельных компонентов осаждаемого на подложку материала пленки. Подготавливают тонкие плоские шаблоны, имеющие форму и соответствующую заданному изменению состава осаждаемого на подложку материала пленки площадь рабочих участков поверхностей распыления верхних накладных частей мишени, представляющих собой площадки, занимаемые ими в контуре зоны распыления.

Изобретение относится к распылительному блоку магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1-x)O2 в диапазоне 0<х<0,6 на поверхности металлов, стекол или керамики.

Изобретение относится к системе и способу нанесения покрытия. Система включает вакуумную камеру и узел для нанесения покрытия.

Изобретение относится к способу создания прозрачных проводящих композитных нанопокрытий (варианты). По первому варианту предварительно осуществляют химическое осаждение на нагретую подложку тонкой пленки углеродных нанотрубок.

Изобретение относится к способу получения тонких магнитных наногранулированных пленок. Способ включает последовательное осаждение на термостойкую подложку тонкой пленки оксида ферромагнитного металла и слоя металла-восстановителя при комнатной температуре с последующим вакуумным отжигом полученной двухслойной пленки.

Изобретение относится к области производства радиотехнических устройств космической и авиационной техники и касается способа изготовления изделий из композиционных материалов с отражающим покрытием.

Изобретение относится к способам защиты металлов от коррозии, в частности к способу нанесения защитного покрытия на подложку из железа, и может быть использовано для изготовления изделий и деталей, работающих в агрессивных средах, для нефтяной, газовой, химической и других отраслей промышленности.

Изобретение относится к способу получения тонких пленок теллурида кадмия. Способ включает предварительный подогрев поверхности распыляемой мишени из теллурида кадмия до заданной температуры и ее магнетронное распыление на постоянном токе.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство для осаждения покрытий на изделиях 3 содержит рабочую вакуумную камеру 1, мишени 4-7 планарных магнетронов на стенках камеры, источники питания 8-11 магнетронных разрядов, отрицательными полюсами соединенные с мишенями, дополнительный изолированный от камеры 1 и установленный внутри нее электрод 12 и источник постоянного тока 13, отрицательным полюсом соединенный с камерой 1, а положительным полюсом соединенный с электродом 12 и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания для соединения поршня с шатуном. Поршневой палец (1) содержит противозадирное покрытие (4), ограниченное угловым сектором (S), соответствующим по меньшей мере области трения, подвергаемой действию контактного давления вдоль предпочтительного направления.

Изобретение относится к стеклу с покрытием, имеющим синюю окраску. На стекло наносят следующие слои: первый диэлектрический слой, содержащий нитрид кремния; первый отражающий ИК-излучение слой, содержащий NbZr; второй диэлектрический слой, содержащий нитрид кремния; второй отражающий ИК-излучение слой, содержащий NbZr; третий диэлектрический слой, содержащий нитрид кремния.

Изобретение относится к технологии производства тонких алмазных пленок и может быть использовано в различных областях промышленности и науки для получения тонкопленочных упрочняющих покрытий и активных слоев тонкопленочных наноструктур.

Изобретение относится к способу и реактору для металлирования крупногабаритных заготовок в высокотемпературном реакторе установки для объемного металлирования паро-жидкофазным, альтернативным жидкофазным и комбинированным методами.

Изобретение относится к способам получения эпитаксиальных тонкопленочных материалов, а именно EuSi2 кристаллической модификации hP3 (пространственная группа N164, ) со структурой интеркалированных европием слоев силицена, которые могут быть использованы для проведения экспериментов по исследованию силиценовой решетки.

Изобретение относится к устройству для формирования многокомпонентных и многослойных покрытий и может быть использовано в автомобилестроении, в медицине при создании защитных и биосовместимых слоев дентальных и ортопедических имплантатов, для изготовления тонкопленочных интегральных аккумуляторов и в химических реакторах.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам для осаждения износостойких покрытий на изделиях в вакуумной камере. Устройство для осаждения покрытий на изделиях 3 содержит рабочую вакуумную камеру 1, мишени 4-7 планарных магнетронов на стенках камеры, источники питания 8-11 магнетронных разрядов, отрицательными полюсами соединенные с мишенями, дополнительный изолированный от камеры 1 и установленный внутри нее электрод 12 и источник постоянного тока 13, отрицательным полюсом соединенный с камерой 1, а положительным полюсом соединенный с электродом 12 и с положительными полюсами источников питания магнетронных разрядов.

Изобретение относится к получению металлосодержащего органозоля, применяемого для послойной 3D печати изделия. В разреженной среде инертного газа распыляют мишень из металлического материала путем плазменного разряда магнетрона, обеспечивают осаждение распыленных металлических частиц в композицию на основе органического растворителя и стабилизатора на основе катионактивных термостабильных полимеров алкиламмониевых солей с образованием металлосодержащего органозоля.

Изобретение относится к способам нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент и может быть использовано в металлообработке. Способ получения многослойного покрытия для режущего инструмента включает проведение ионно-плазменного нанесения многослойного покрытия, состоящего из нижнего слоя нитрида соединения титана и алюминия при их соотношении, мас.%: титан 70,0-79,0, алюминий 21,0-30,0, промежуточного слоя - из нитрида соединения титана, алюминия и молибдена при их соотношении, мас.%: титан 75,5-82,5, алюминий 14,0-20,0, молибден 3,5-4,5 и верхнего слоя - из нитрида титана.

Изобретение относится к составам и способам получения износостойких покрытий для защиты от изнашивания и может быть использовано в парах трения в машиностроении, металлообработке и нефтедобыче.

Изобретение относится к распылительному блоку магнетрона для осаждения пленок твердых растворов FexTi(1-x)O2 в диапазоне 0<х<0,6 на поверхности металлов, стекол или керамики.

Изобретение относится к способам формирования пористого оксидного материала и может быть использовано для разработки анодных материалов литий-ионных батарей и суперконденсаторов нового поколения, чувствительных элементов газовых сенсоров. Способ получения пленок пористого кристаллического диоксида олова включает создание композита на основе матрицы, в качестве которой используют слои многостенных углеродных нанотрубок. Композит формируют путем магнетронного нанесения на матрицу нестехиометрического аморфного оксида олова. Затем проводят удаление матрицы посредством термической обработки на воздухе при температуре 400-700°С в течение 15-45 минут. Изобретение позволяет повысить чистоту пленок пористого кристаллического диоксида олова, в котором отсутстуют нежелательные примеси. 1 ил., 1 табл., 1 пр.

Наверх