Способ получения тонкопленочных материалов на основе оксидов кремния, фосфора, кальция и магния

Изобретение относится к технологии получения тонкопленочных покрытий, применяемых в различных областях техники, в том числе в качестве биоактивного материала. Способ получения тонкопленочных материалов на основе сложных оксидных систем включает приготовление пленкообразующего раствора на основе 96 мас.% этилового спирта, нитрата кальция и нитрата магния, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты с последующим нанесением на подложку методом центрифугирования со скоростью вращения центрифуги 3000 об/мин и ступенчатой термообработкой при 60°С в течение 30 мин, 800°С в течение 1 часа, при этом приготовление пленкообразующего раствора осуществляют в следующем порядке: рассчитывают суммарное массовое содержание добавок и количество 96%-ного этилового спирта, необходимого для получения требуемого пленкообразующего раствора, в расчетном количестве этилового спирта растворяют последовательно а) нитрат кальция в количестве 2,0–5,1 мас.%, б) нитрат магния в количестве 1,2–4,6 мас.%, в) тетраэтоксисилан в количестве 4,6 мас.%, после чего добавляют ортофосфорную кислоту в количестве 0,32 мас.%. Изобретение обеспечивает снижение времени получения тонкопленочного материала и удаление примесных ионов из пленки. 2 пр.

 

Изобретение относится к технологии получения тонкопленочных покрытий, применяемых в областях электронной техники и светотехнической промышленности, в качестве фильтрующих и перераспределяющих излучение покрытий, биоактивных материалов.

Известен способ получения тонких наноструктурированных однослойных покрытий на основе диоксида кремния золь-гель методом в присутствии неорганических кислот и их солей (Патент РФ 2450984, С03С 17/30, опубл. 25.11.2010), включающий приготовление пленкообразующего раствора с использованием этилового спирта 96 мас.%, тетраэтоксисилана, кристаллогидрата хлорида иттрия и соляной кислоты, нанесение ПОР на подложку методом центрифугирования, термообработку при температуре 60°С и при температурах 500-700°С. Недостатком данного способа являются низкие значения показателей преломления пленок (1,25).

Известен способ получения тонкопленочного покрытия (Патент РФ 2599294,С03С 1/00, опубл. 10.10.2016), включающий приготовление двух пленкообразующих растворов, сливание их вместе, нанесение полученного ПОР на подложку методом центрифугирования, ступенчатую термообработку при температурах 80°С и 600°С. Для первого ПОР используют тетрабутоксититан и бутиловый спирт. Для второго ПОР используют тетраэтоксисилан, хлорид кальция, ортофосфорную кислоту и бутиловый спирт. Недостатком данного способа является ограниченные возможности пленкообразующих растворов по их вязкости при совместном использовании для получения качественных пленок.

Известен способ получения тонкопленочного покрытия на основе сложных оксидных систем (Патент РФ 2632835, C09D 1/00, опубл. 10.10.2017), включающий приготовление пленкообразующего раствора, используя в качестве растворителя этиловый спирт 96 мас.% с добавлением тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, хлорида кальция и нитрата магния, нанесение ПОР на подложку методом центрифугирования, с последующей термической обработкой при температуре 60°С и при температуре 800°С. Недостатком данного способа является использование хлорида кальция из-за чего в тонких пленках остается примесный ион хлора.

Известен способ получения тонкопленочных покрытий на основе оксидной системы SiO₂-P₂O₅-CaO (Борило Л.П., Петровская Т.С. Лютова Е.С. Синтез и свойства тонких пленок на основе фаз системы SiO₂-P₂O₅-СаO. // Неорганические материалы. 2014. Т. 50. № 8. С. 874 – 877), выбранный в качестве прототипа. Пленкообразующие растворы для получения тонкопленочных покрытий готовят из этилового спирта (96 %), тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты, хлорида кальция заданного состава. Покрытия получали методом центрифугирования на подложках из кремния с последующей термообработкой в сушильном шкафу при 60°С и в муфельной печи при 600°С. Недостатком прототипа является низкие показатели преломления тонких пленок от 1,41 до 1,45 и наличием хлорид иона в системе, который негативно сказывается на биологических свойствах.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения тонкопленочных покрытий на основе оксидов кремния, фосфора, кальция и магния для использования в качестве биоактивных покрытий.

Поставленная задача решается тем, что в состав для получения тонкопленочных покрытий, включающий приготовление пленкообразующего раствора на основе 96 мас. % этилового спирта, нитрата кальция нитрата магния, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты при следующем соотношении компонентов, мас.%;

Нитрат кальция	2,0–5,1
Нитрат магния	1,2–4,6
Тетраэтоксисилан	4,6
Ортофосфорная кислота	0,32
Этиловый спирт	Остальное

Для получения тонкопленочных покрытий на основе оксидов кремния, фосфора, кальция и магния готовят пленкообразующий раствор, используя в качестве растворителя этиловый спирт 96 мас. % и добавляют нитрат кальция и нитрат магния при перемешивании до полного растворения солей. Затем добавляют тетраэтоксисилан и фосфорную кислоту. После созревания пленкообразующего раствора в течение 3 суток его наносят методом центрифугирования на подложки из кремния, затем осуществляют ступенчатую термическую обработку. Сушку проводят в сушильном шкафу при 60°С в течение 30 мин, отжиг проводят в муфельной печи при 800°С в течение 1 часа.

Наиболее приемлемой температурой для хранения ПОР следует считать в пределах 22-25°С в течение 13 дней в зависимости от концентрации солей.

Для приготовления растворов используют посуду второго класса точности.

Ниже приведены примеры, иллюстрирующие изобретение.

Пример 1

Для приготовления 100 мл пленкообразующего раствора необходимо последовательно растворить в 70 мл 96 мас.% этилового спирта: 1,2 г нитрата магния и 5,1 нитрата кальция, растворить их в 70 мл 96 мас. % этилового спирта, затем добавить 4,6 мл тетраэтоксисилана с плотностью 0,94 г/см³, затем добавить 0,32 мл фосфорной кислоты с плотностью 1,685 г/см³, затем довести до объема 100 мл этиловым спиртом. После созревания раствора в течение 3 суток ПОР наносят на кремневую подложку методом центрифугирования (скорость вращения центрифуги 3000 об/мин) и подвергают ступенчатой термообработке при температурах 60°C в течение 30 мин и при температуре 800°C в течение 1 часа, при этом получается тонкая пленка состава SiO₂-P₂O₅-CaO-MgO с показателем преломления 1,76 и толщиной 78 нм.

Пример 2.

Для приготовления 100 мл пленкообразующего раствора необходимо последовательно растворить в 70 мл 96 ма.% этилового спирта: 4,6 г нитрата магния и 2,0 нитрата кальция, затем добавить 4,6 мл тетраэтоксисилана с плотностью 0,94 г/см3 , затем добавить 0,32 мл фосфорной кислоты с плотностью 1,685 г/см³, затем довести до объема 100 мл этиловым спиртом. После созревания раствора в течение 24 часов ПОР наносят на кремневую подложку методом центрифугирования (скорость вращения центрифуги 3000 об/мин) и подвергают ступенчатой термообработке при температурах 60°C в течение 30 мин и при температурах 800°C в течение 1 часа, при этом получается тонкая пленка состава SiO₂-P₂O₅-CaO-MgO с показателем преломления 1,65 и толщиной 65 нм.

Способ получения тонкопленочных материалов на основе сложных оксидных систем, включающий приготовление пленкообразующего раствора на основе 96 мас.% этилового спирта, нитрата кальция и нитрата магния, тетраэтоксисилана, ортофосфорной кислоты с последующим нанесением на подложку методом центрифугирования со скоростью вращения центрифуги 3000 об/мин и ступенчатой термообработкой при 60°С в течение 30 мин, 800°С в течение 1 часа, отличающийся тем, что приготовление пленкообразующего раствора осуществляют в следующем порядке: рассчитывают суммарное массовое содержание добавок и количество 96%-ного этилового спирта, необходимого для получения требуемого пленкообразующего раствора, в расчетном количестве этилового спирта растворяют последовательно а) нитрат кальция в количестве 2,0–5,1 мас.%, б) нитрат магния в количестве 1,2–4,6 мас.%, в) тетраэтоксисилан в количестве 4,6 мас.%, после чего добавляют ортофосфорную кислоту в количестве 0,32 мас.%.