[go: up one dir, main page]

RU2436876C1 - Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line - Google Patents

Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line Download PDF

Info

Publication number
RU2436876C1
RU2436876C1 RU2010121311/05A RU2010121311A RU2436876C1 RU 2436876 C1 RU2436876 C1 RU 2436876C1 RU 2010121311/05 A RU2010121311/05 A RU 2010121311/05A RU 2010121311 A RU2010121311 A RU 2010121311A RU 2436876 C1 RU2436876 C1 RU 2436876C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
films
substrate
nanocrystalline
solution
metal salts
Prior art date
Application number
RU2010121311/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Томаев (RU)
Владимир Владимирович Томаев
Original Assignee
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет filed Critical Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет
Priority to RU2010121311/05A priority Critical patent/RU2436876C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2436876C1 publication Critical patent/RU2436876C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Surface Treatment Of Glass (AREA)

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: method consists in preparation of solution of mixture of metal salts, aerosol application of the above solution to the substrate surface in gas carrier flow, removal of solvent from the solution of mixture of metal salts and formation on surface of substrate of multi-layer nanocrystalline films of metals as a result of thermal decomposition of metal salts; at that, surface of substrate is pre-heated; aerosol fog is formed from solution of mixture of metal salts, which is transferred and deposited on the substrate surface of oxygen-containing carrier gas; carrier gas pressure is maintained higher than atmospheric pressure; heterogeneous boundary line is formed by applying to the formed nanocrystalline layer of nanocrystalline layer of the other chemical composition differing from the previous one. Actually, there proposed is new manufacturing technology of metal semiconductor and dielectric materials and instruments by using nanocrystalline films with high adhesion and various phase composition. ^ EFFECT: obtaining multi-layer alternating nanocrystalline films of various phase composition with possibility of performing the monitoring of thickness of films and dispersability of grains; increasing the capacity of obtaining such multi-layer alternating nanocrystalline films; reducing the time of their obtaining; reducing the labour intensity of the process, and simplifying the device implementing the proposed method. ^ 8 cl, 7 dwg, 19 ex, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано в технологии изготовления металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов и приборов, в частности, для нанесения многослойных нанокристаллических тонких пленок этих материалов химическим способом.The invention relates to the field of materials science and can be used in the manufacturing technology of metallic, semiconductor and dielectric materials and devices, in particular, for applying multilayer nanocrystalline thin films of these materials in a chemical way.

Известны способы формирования многослойных нанокристаллических пленок на основе получения металлооксидных полупроводников пленок с помощью гидролитических и пиролитических реакций [1-3], суть каждой из которых состоит в следующем.Known methods of forming multilayer nanocrystalline films based on the production of metal oxide semiconductors of films using hydrolytic and pyrolytic reactions [1-3], the essence of each of which is as follows.

На основе гидролитических реакций. Гидролиз - один из видов взаимодействия веществ с водой с образованием различных соединений. Многие химические соединения склонны к гидролизу не только в водных растворах, но и при взаимодействии с водяными парами. Этот способ широко применяется для получения металлооксидных полупроводников. Исходными материалами служат водные или спиртовые растворы галогенидов (обычно, хлоридов) или металлоорганических соединений соответствующих металлов. Реакции вида 2InCl3+3Н2О→In2O3+6HCl и SnCl4+2Н2О→SnO2+4HCl протекают при температурах порядка нескольких сотен градусов либо непосредственно на разогретой поверхности, на которую наносится пленка (способ пульверизации), либо в пространстве, примыкающей к этой поверхности (способ реакции в газовой фазе).Based on hydrolytic reactions. Hydrolysis is one of the types of interaction of substances with water with the formation of various compounds. Many chemical compounds are prone to hydrolysis not only in aqueous solutions, but also when interacting with water vapor. This method is widely used to obtain metal oxide semiconductors. The starting materials are aqueous or alcoholic solutions of halides (usually chlorides) or organometallic compounds of the corresponding metals. Reactions of the type 2InCl 3 + 3Н 2 О → In 2 O 3 + 6HCl and SnCl 4 + 2Н 2 О → SnO 2 + 4HCl proceed at temperatures of several hundred degrees either directly on the heated surface onto which the film is applied (spraying method), or in the space adjacent to this surface (reaction method in the gas phase).

Способ получения тонких пленок из газовой фазы основан на химических реакциях между легколетучими гидролизующимися соединениями.The method for producing thin films from the gas phase is based on chemical reactions between volatile hydrolyzable compounds.

Гидролиз в паровой фазе может быть обратимым и необратимым. Механизм гидролиза веществ в газообразном состоянии зависит от химической природы исходного вещества, его реакционной способности и условий гидролиза. На практике условия гидролиза пленкообразующих соединений в парообразном состоянии подбираются так, чтобы гидролиз протекал необратимо. При этом одним из конечных продуктов гидролиза должно быть вещество, конденсирующееся из паров в твердом виде на поверхности обрабатываемых изделий. Гидролиз химических соединений в газообразном состоянии в большинстве случаев происходит при относительно низких температурах. Легко гидролизуются в паровой фазе хлориды, алкоксисоединения различных элементов [1], галогенсодержащие, кремнийорганические соединения и частично замещенные алкоксисоединения с разными алкильными и арильными органическими радикалами. Все они могут осаждаться в виде тонких пленок гидроокисей.Hydrolysis in the vapor phase can be reversible and irreversible. The mechanism of hydrolysis of substances in a gaseous state depends on the chemical nature of the starting substance, its reactivity and hydrolysis conditions. In practice, the hydrolysis conditions of the film-forming compounds in the vapor state are selected so that the hydrolysis proceeds irreversibly. In this case, one of the final products of hydrolysis should be a substance that condenses from vapor in solid form on the surface of the processed products. Hydrolysis of chemical compounds in a gaseous state in most cases occurs at relatively low temperatures. Chlorides, alkoxy compounds of various elements [1], halogen-containing, organosilicon compounds and partially substituted alkoxy compounds with various alkyl and aryl organic radicals are easily hydrolyzed in the vapor phase. All of them can be deposited in the form of thin films of hydroxides.

Осаждение пленок из паровой фазы осуществляют различными способами с применением разнообразной аппаратуры. Наиболее простой способ - подача паров пленкообразующих веществ или паров их растворов в инертном растворителе под стеклянный колпак, где размещают детали, подлежащие покрытию пленкой. Под колпаком создается определенная упругость водяных паров. В большинстве случаев при получении пленок SiO2, SnO2, TiO2 и др. используют пары индивидуальных легколетучих соединений. При помощи инертного газа-носителя (азота, аргона) эти пары переносятся в аппаратуру, где на специальных, подогреваемых до требуемой температуры подставках располагают обрабатываемые детали. Одновременно подают и пары воды с необходимым постоянством скорости поступления их в зону реакции.The deposition of films from the vapor phase is carried out in various ways using a variety of equipment. The easiest way is to supply the vapor of film-forming substances or the vapor of their solutions in an inert solvent under a glass cover, where the parts to be coated with a film are placed. Under the cap, a certain elasticity of water vapor is created. In most cases, upon receipt of films of SiO 2 , SnO 2 , TiO 2, and others, pairs of individual volatile compounds are used. Using an inert carrier gas (nitrogen, argon), these vapors are transferred to the apparatus, where workpieces are placed on special supports heated to the required temperature. At the same time, water vapor is also supplied with the necessary constancy of the rate of their entry into the reaction zone.

Гидролитический метод получения пленок окислов титана, олова и сурьмы из паров соответствующих хлоридов, а пленок SiO2 - из паров Si(OCH3)4 может быть реализован по следующим схемам:The hydrolytic method for producing films of titanium, tin and antimony oxides from the vapors of the corresponding chlorides, and SiO 2 films from vapors of Si (OCH 3 ) 4 can be implemented according to the following schemes:

Figure 00000001
;
Figure 00000001
;

Figure 00000002
;
Figure 00000002
;

Figure 00000003
;
Figure 00000003
;

Figure 00000004
.
Figure 00000004
.

Гидролиз солей протекает при низких температурах, а осаждение соответствующих окислов осуществляется на поверхностях, нагретых до температур, допустимых для различных стекол и кристаллов. Образующиеся пленки прозрачны, однородны, аморфны, прочно закрепляются на поверхности стекла и могут быть получены толщиной от нескольких десятков ангстрем до 1,5-2,0 мкм на поверхности изделий различных профилей и конфигураций.Hydrolysis of salts occurs at low temperatures, and the deposition of the corresponding oxides is carried out on surfaces heated to temperatures acceptable for various glasses and crystals. The resulting films are transparent, uniform, amorphous, firmly fixed on the surface of the glass and can be obtained with a thickness of several tens of angstroms to 1.5-2.0 μm on the surface of products of various profiles and configurations.

Пленки SnO2 часто получают из SnCl4. Его разложение легко протекает при комнатной температуре, и поэтому может быть применено для образования пленок на изделиях из стекол, кристаллов, керамики и других материалов.SnO 2 films are often prepared from SnCl 4 . Its decomposition easily proceeds at room temperature, and therefore can be used for the formation of films on products from glasses, crystals, ceramics and other materials.

Процесс образования пленок SnO2 может быть представлен следующим образом. При смешении воздуха, содержащего пары SnCl4 с водяными парами, образуется ортооловянная кислота в тонкодисперсном состоянии:The process of formation of SnO 2 films can be represented as follows. When air containing SnCl 4 vapors is mixed with water vapor, ortho-tin acid is formed in a finely divided state:

SnCl4+2H2O=Sn(OH)4+4HCl.SnCl 4 + 2H 2 O = Sn (OH) 4 + 4HCl.

Ортооловянная кислота, адсорбируясь на поверхность подложки, дегидратируется, образуя равномерный прозрачный слой двуокиси олова:Ortho-tin acid, adsorbed onto the surface of the substrate, dehydrates, forming a uniform transparent layer of tin dioxide:

Sn(OH)4=SnO2+2H2O.Sn (OH) 4 = SnO 2 + 2H 2 O.

Толщина получаемой пленки может регулироваться скоростью подачи паров и условиями гидролиза (температурой, временем пребывания подложек в парах и концентрацией пленкообразующего вещества). С повышением температуры поверхности изделия адгезия и прочность пленок повышаются. Наиболее однородные по толщине, и имеющие хорошую адгезию к подложке пленки образуются при нагревании подложки до 200-300°С.The thickness of the resulting film can be controlled by the vapor feed rate and hydrolysis conditions (temperature, residence time of the substrates in the vapor and the concentration of the film-forming substance). As the surface temperature of the product increases, the adhesion and strength of the films increase. The most uniform in thickness and having good adhesion to the substrate films are formed when the substrate is heated to 200-300 ° C.

Аналогичным образом из хлоридов соответствующих металлов могут быть получены пленки: SiO2, TiO2, Fe2O3, In2O3, Sb2O3, CdO, CuO, NiO и др. [1-3].Similarly, films of the chlorides of the corresponding metals can be obtained: SiO 2 , TiO 2 , Fe 2 O 3 , In 2 O 3 , Sb 2 O 3 , CdO, CuO, NiO, etc. [1-3].

Недостатками способов формирования пленок с помощью гидролитических реакций является неоднородность состава пленок за счет протекания гидролиза химических соединений (например, из спиртового раствора SnCl4·5H2O) при относительно низких температурах в газообразном состоянии, в результате которого состав пленок может отличаться от стехиометрических, вследствие наличия промежуточных соединений, связанных с недостаточно полным окислением продуктов раствора (например, наличие включений в пленках типа хлорокисного соединения Sn(OH)Cl и т.д.). Недостаточная адгезия между пленкой и подложкой, вследствие невозможности установления термодинамического равновесия между ними из-за относительно низких температур протекания химических реакций.The disadvantages of the methods of forming films using hydrolytic reactions are the heterogeneity of the composition of the films due to the hydrolysis of chemical compounds (for example, from an alcohol solution of SnCl 4 · 5H 2 O) at relatively low temperatures in the gaseous state, as a result of which the composition of the films may differ from stoichiometric, the presence of intermediate compounds associated with insufficiently complete oxidation of the solution products (for example, the presence of inclusions in films such as Sn (OH) Cl, etc.). Insufficient adhesion between the film and the substrate, due to the impossibility of establishing thermodynamic equilibrium between them due to the relatively low temperatures of chemical reactions.

На основе пиролитических реакций. Пиролиз - разложение или другие превращения вещества при нагревании. Значительно большее распространение в оптическом приборостроении, радиотехнике и в технологии изготовления полупроводниковых приборов приобретает метод получения пленок из газовой фазы при пиролизе некоторых соединений [1-3].Based on pyrolytic reactions. Pyrolysis - decomposition or other transformations of a substance when heated. The method of producing films from the gas phase during the pyrolysis of some compounds is becoming much more widespread in optical instrumentation, radio engineering, and in the technology for manufacturing semiconductor devices [1-3].

Термическое разложение органических соединений чаще всего начинается с образования свободных радикалов. Такие радикалы, как, например, СН3-, C2H5-, обладая большой активностью, чем исходные молекулы, реагируют друг с другом и с недиссоциированной молекулой. При этом вновь может образоваться свободный радикал, который, в свою очередь, реагирует с недиссоциированной молекулой и так далее. Возникает цепь превращений, приводящих к полному разложению исходного вещества.Thermal decomposition of organic compounds most often begins with the formation of free radicals. Such radicals as, for example, CH 3 -, C 2 H 5 -, having greater activity than the original molecules, react with each other and with the undissociated molecule. In this case, a free radical can again form, which, in turn, reacts with an undissociated molecule and so on. A chain of transformations arises leading to the complete decomposition of the starting material.

Пиролизом можно получить пленки окислов различных элементов. Особенно термостабильны и химически устойчивы окислы элементов III и IV групп периодической системы элементов. Их используют для защиты полупроводниковых изделий и легко разрушаемых водяными парами оптических деталей из стекол и кристаллов. Исходными материалами для образования таких пленок могут быть алкоксисоединения титана, олова, алюминия и других элементов, хлорсиланы и хлориды кремния, титана, алюминия, ацетооксисоединения кремния, циркония и др. Кроме того, используются и гидриды кремния, германия и других элементов.By pyrolysis, films of oxides of various elements can be obtained. Particularly thermostable and chemically stable oxides of elements of groups III and IV of the periodic system of elements. They are used to protect semiconductor products and easily destroyed by water vapor optical parts made of glass and crystals. The starting materials for the formation of such films can be alkoxy compounds of titanium, tin, aluminum and other elements, chlorosilanes and silicon chlorides, titanium, aluminum, acetooxy compounds of silicon, zirconium, etc. In addition, silicon, germanium, and other hydrides are also used.

Наибольшее распространение приобрел пиролиз для осаждения защитных пленок из окислов кремния, и алюминия. Хорошо изучены реакции разложения алкоксисиланов, особенно тетраэтоксисилана.The most widespread pyrolysis for the deposition of protective films from oxides of silicon and aluminum. The decomposition reactions of alkoxysilanes, especially tetraethoxysilane, have been well studied.

Реакция разложения тетраэтоксисилана может быть представлена следующей схемой:The decomposition reaction of tetraethoxysilane can be represented by the following scheme:

2Si(OC2H5)4=Si2O(OC2H5)6+2С2Н4+H2O,2Si (OC 2 H 5 ) 4 = Si 2 O (OC 2 H 5 ) 6 + 2C 2 H 4 + H 2 O,

Figure 00000005
Figure 00000005

Окончательный гидролиз приводит к образованию SiO2.Final hydrolysis leads to the formation of SiO 2 .

Термическим разложением алкоксисоединений часто получают также и аморфные пленки Al2O3. В зависимости от природы алкоксигруппы эта реакция протекает при различных температурах. Например, пропилат алюминия разлагается при 420°С [1], этилат алюминия - при 550-800°С, а триизобутилат алюминия - при 250-500°С. При термическом разложении алкоксисоединений алюминия получают смесь постепенно распадающихся соединений: Al(OR)3→Al(OR)2OH+Al(OR)(OH)2+Al(OH)3, в результате полного разложения которых на поверхности обрабатываемых деталей образуются аморфные пленки Al2O3. Последние являются стеклообразными, однородными, химически инертными, свободными от примесей и характеризуются высокой термостабильностью.The thermal decomposition of alkoxy compounds often also produces amorphous Al 2 O 3 films. Depending on the nature of the alkoxy group, this reaction proceeds at various temperatures. For example, aluminum propylate decomposes at 420 ° C [1], aluminum ethylate at 550-800 ° C, and aluminum triisobutylate at 250-500 ° C. Upon thermal decomposition of aluminum alkoxy compounds, a mixture of gradually decomposing compounds is obtained: Al (OR) 3 → Al (OR) 2 OH + Al (OR) (OH) 2 + Al (OH) 3 , as a result of complete decomposition of which amorphous compounds form on the surface of the workpieces Al 2 O 3 films. The latter are glassy, homogeneous, chemically inert, free from impurities and are characterized by high thermal stability.

Получение тонких прозрачных пленок термическим разложением представляет особый интерес в технике изготовления электропроводящих покрытий на основе окислов олова по следующей схеме:The production of thin transparent films by thermal decomposition is of particular interest in the technique of manufacturing conductive coatings based on tin oxides according to the following scheme:

SnCl2+H2O→SnO+2HCl,SnCl 2 + H 2 O → SnO + 2HCl,

2SnO+O2→2SnO2,2SnO + O 2 → 2SnO 2 ,

2SnO→Sn+SnO2.2SnO → Sn + SnO 2 .

Основное количество реагентов взаимодействует до соприкосновения с подложкой и не оседает на нее. Образование пленки происходит лишь за счет той их части, которая вступает в реакцию непосредственно у поверхности подложки.The main amount of reagents interacts before contact with the substrate and does not settle on it. The formation of the film occurs only due to the part that reacts directly at the surface of the substrate.

Недостатками известных способов формирования пленок с помощью пиролитических реакций является неоднородность пленок по составу за счет использования подогретого до температуры 450-500°С спиртового раствора хлорида металла (например, SnCl4·5Н2О), который не позволяет осуществлять доставку к поверхности подложки парообразных частиц раствора одинакового размера и состава вследствие различия давления паров отдельных компонентов пара (например: спирт, Н2О, SnCl4, Cl2, O2 и др.) над поверхностью жидкости и не позволяет получать в этом случае нанокристаллические пленки со стабильным размером зерен. Кроме этого, используемые в большинстве случаев методы пульверизации не позволяют в достаточной мере контролировать размер напыляемых частиц пара, а это также ведет к получению неоднородных пленок.The disadvantages of the known methods of forming films using pyrolytic reactions is the heterogeneity of the films in composition due to the use of an alcoholic solution of metal chloride heated to a temperature of 450-500 ° C (for example, SnCl 4 · 5H 2 O), which does not allow the delivery of vaporous particles to the substrate surface solution of the same size and composition due to the pressure difference of the individual components of steam vapor (for example, an alcohol, H 2 O, SnCl 4, Cl 2, O 2, etc.) above the liquid surface and does not allow in this case the nano ristallicheskie film with stable grain size. In addition, the spraying methods used in most cases do not allow sufficient control over the size of the sprayed vapor particles, and this also leads to the formation of inhomogeneous films.

Известен способ формирования многослойных нанокристаллических пленок на основе получения наноструктурированных пленок диоксида титана [4], который может быть использован в биотехнологии при иммобилизации ферментов на мезопористых наноструктурированных пленках диоксида титана с целью получения фотобиокатализаторов.A known method of forming multilayer nanocrystalline films based on the production of nanostructured films of titanium dioxide [4], which can be used in biotechnology for immobilization of enzymes on mesoporous nanostructured films of titanium dioxide in order to obtain photobiocatalysts.

Этот способ [4] включает нанесение на твердую подложку водосодержащей композиции на основе диоксида титана, содержащей стабилизатор и порообразующий полимер, последующую сушку и кальцинирование. Для приготовления водосодержащей композиции используют порошок нанокристаллов диоксида титана со средним размером частиц от 6 до 25 нм и с удельной поверхностью 50-300 м2/г, который смешивают со стабилизатором и подвергают ультразвуковому дезагрегированию. Затем добавляют порообразующий полимер в количестве 10-30% от массы диоксида титана и водный раствор ПАВ (поверхностно-активное вещество) до массового соотношения TiO22О=1:1÷10. Полученную пасту гомогенизируют ультразвуком, наносят на подложку, сушат при комнатной температуре и кальцинируют в присутствии воздуха или кислорода при температуре 400-600°С. В способе иммобилизации фермента адсорбируют фермент на поверхности полученной нанокристаллической мезопористой пленки диоксида титана в среде буферного раствора при pH<8. Изобретение позволяет обеспечить толщину получаемых пленок не менее 2 мкм для иммобилизации на них достаточного количества фермента и для эффективного протекания фотобиокаталитических процессов (в т/э эффективность).This method [4] includes applying to a solid substrate a water-containing composition based on titanium dioxide containing a stabilizer and a pore-forming polymer, followed by drying and calcination. To prepare an aqueous composition, a titanium dioxide nanocrystal powder with an average particle size of 6 to 25 nm and a specific surface area of 50-300 m 2 / g, which is mixed with a stabilizer and subjected to ultrasonic disaggregation, is used. Then add a pore-forming polymer in an amount of 10-30% by weight of titanium dioxide and an aqueous solution of a surfactant (surfactant) to a mass ratio of TiO 2 : H 2 O = 1: 1 ÷ 10. The resulting paste is homogenized by ultrasound, applied to a substrate, dried at room temperature and calcined in the presence of air or oxygen at a temperature of 400-600 ° C. In the method of immobilizing an enzyme, an enzyme is adsorbed on the surface of the obtained nanocrystalline mesoporous titanium dioxide film in a buffer solution at pH <8. The invention allows to provide a thickness of the obtained films of at least 2 μm for immobilization of a sufficient amount of the enzyme on them and for the effective course of photobiocatalytic processes (in t / e efficiency).

Недостатком данного способа [4] является невысокая адгезионная прочность, невозможность влиять в широких пределах на дисперсность, ориентацию и т.д. Это, связано с тем, что в изобретении использован прекурсор получаемых пленок в виде водосодержащей композиции на основе диоксида титана, содержащей стабилизатор и порообразующий полимер. После нанесения прекурсора на поверхность подложки осуществляют сушку и кальцинирование. Так как основной материал пленки TiO2 в прекурсоре находится уже в твердом сформированном как частица состоянии, то невозможно влиять в широких пределах на его дисперсность, адгезионную прочность, ориентацию и т.д. При таком способе нанесения не происходит активных химических реакций на границе раздела прекурсор-подложка, что также отрицательно сказывается на качестве пленок.The disadvantage of this method [4] is the low adhesive strength, the inability to influence over a wide range of dispersion, orientation, etc. This is due to the fact that the invention used a precursor of the obtained films in the form of an aqueous composition based on titanium dioxide containing a stabilizer and a pore-forming polymer. After applying the precursor to the surface of the substrate, drying and calcination are carried out. Since the main material of the TiO 2 film in the precursor is already in a solid state formed as a particle, it is impossible to influence its dispersion, adhesive strength, orientation, etc., over a wide range. With this method of deposition, no active chemical reactions occur at the precursor-substrate interface, which also negatively affects the quality of the films.

Известен еще один способ [5] получения наночастиц и изготовления материалов и устройств, содержащих наночастицы, которые могут быть использованы для получения металлсодержащих материалов (таких, например, как тонкопленочные композитные материалы, металлополимеры, предназначенные для разработки функциональных элементов в электронике, электротехнике, в оптике и для разработки эффективных каталитических систем). Известный способ [5] получения наночастиц включает процессы их синтеза в результате химических превращений исходных реагентов-предшественников под действием химических воздействий или химических и физических воздействий, или их комбинаций в мономолекулярном слое на поверхности жидкой фазы. Способ изготовления материалов, содержащих наночастицы, заключается во введении указанных выше частиц в состав материала.There is another method [5] for producing nanoparticles and manufacturing materials and devices containing nanoparticles that can be used to obtain metal-containing materials (such as, for example, thin-film composite materials, metal polymers designed to develop functional elements in electronics, electrical engineering, and optics and to develop efficient catalytic systems). The known method [5] for the preparation of nanoparticles involves the processes of their synthesis as a result of chemical transformations of the starting precursor reagents under the influence of chemical effects or chemical and physical effects, or their combinations in a monomolecular layer on the surface of the liquid phase. A method of manufacturing materials containing nanoparticles, is the introduction of the above particles into the composition of the material.

Недостатком известного способа является низкая адгезия к подложке за счет низкой температуры образования пленок, исключающей получение высокой адгезионной прочности.The disadvantage of this method is the low adhesion to the substrate due to the low temperature of the formation of films, precluding obtaining high adhesive strength.

Известен способ формирования многослойных нанокристаллических пленок на основе синтеза нанокристаллических окисей и гидроокисей, который относится к способам получения нанокристаллических материалов химическим путем и который включает распыление раствора реагента в предшествующий раствор для образования осадка нанокристаллической окиси или гидроокиси [6]. Этот способ является наиболее близким к заявленному изобретению и выбран в качестве прототипа.A known method of forming multilayer nanocrystalline films based on the synthesis of nanocrystalline oxides and hydroxides, which relates to methods for producing nanocrystalline materials by chemical means and which involves spraying a reagent solution into a previous solution to form a precipitate of nanocrystalline oxide or hydroxide [6]. This method is the closest to the claimed invention and is selected as a prototype.

Известный способ включает распыление раствора реагента в предшествующий раствор для образования осадка нанокристаллической окиси или гидроокиси. Осадок затем подвергается тепловой обработке с последующей обработкой ультразвуком или обработке ультразвуком с последующей тепловой обработкой. Этим способом получают нанокристаллическую легированную и нелегированную гидроокись никеля, двуокись марганца и стабилизированную иттрием окись циркония и т.д. При этом могут быть получены необычные морфологические суперструктуры, включая ясно различимые цилиндры или наностержни, а также новые структуры для гидроокиси никеля и двуокиси марганца, включающие сборки наноструктурных волокон, агломераты наноструктурных частиц и сборки наноструктурных волокон и наноструктурных частиц. Эти новые структуры имеют высокие скорости протекания и высокую плотность активных центров, что делает их особенно подходящими для изготовления катализаторов.The known method involves spraying a reagent solution into a precursor solution to form a precipitate of nanocrystalline oxide or hydroxide. The precipitate is then subjected to heat treatment, followed by sonication or sonication, followed by heat treatment. This method produces nanocrystalline doped and undoped nickel hydroxide, manganese dioxide and zirconium oxide stabilized with yttrium, etc. In this case, unusual morphological superstructures can be obtained, including clearly distinguishable cylinders or nanorods, as well as new structures for nickel hydroxide and manganese dioxide, including assemblies of nanostructured fibers, agglomerates of nanostructured particles and assemblies of nanostructured fibers and nanostructured particles. These new structures have high flow rates and a high density of active sites, which makes them particularly suitable for the manufacture of catalysts.

Недостатком прототипа [6] является многостадийность процесса, что приводит к длительности и удорожанию процесса формирования многослойных нанокристаллических пленок за счет того, что вначале получают осадок нанокристаллической окиси или гидроокиси, и лишь потом подвергают ее тепловой, ультразвуковой и другим обработкам. Кроме этого, указанным способом [6] сложно получить чередующиеся нанокристаллические пленки разного фазового состава с контролируемой толщиной пленок и контролируемой дисперсностью зерен; сложно получить пленки с высокой адгезией из-за того, что формирование оксидов и последующая термическая обработка разнесены по времени (т.е. осуществляются не в одно и то же время).The disadvantage of the prototype [6] is the multi-stage process, which leads to the duration and cost of the process of forming multilayer nanocrystalline films due to the fact that the first get a precipitate of nanocrystalline oxide or hydroxide, and only then subjected to thermal, ultrasonic and other treatments. In addition, it is difficult to obtain alternating nanocrystalline films of different phase composition with a controlled film thickness and a controlled grain dispersion by the indicated method [6]; it is difficult to obtain films with high adhesion due to the fact that the formation of oxides and subsequent heat treatment are separated in time (i.e., they are not carried out at the same time).

Известно устройство реализации способа формирования многослойных нанокристаллических пленок [7], которое является наиболее близким к заявленному изобретению. Известное устройство состоит из основной кварцевой ампулы и двух дополнительных ампул, с помощью которых осуществляется выращивание легированных пленок из газовой фазы с использованием двух дополнительных источников пара, один с собственным компонентом, другой с легирующей примесью.A device for implementing the method of forming multilayer nanocrystalline films [7], which is closest to the claimed invention, is known. The known device consists of a main quartz ampoule and two additional ampoules, with the help of which alloy films are grown from the gas phase using two additional sources of steam, one with its own component, the other with a dopant.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, не позволяющая многократного ее использования, трудоемкость, невысокая производительность, высокая стоимость комплектующих материалов (трубы из оптического кварца, свинец, селен и селенид свинца высокой чистоты и др.), наличие высокого вакуума, использование нагревателя для одновременного нагревания обоих источников пара (несмотря на то, что в данный момент времени в нагревателе нуждается только один источник), трудности, связанные с контролем размера частиц пара и др.The disadvantages of the known device are the design complexity that does not allow its repeated use, labor intensity, low productivity, high cost of component materials (tubes made of optical quartz, lead, selenium and high purity lead selenide, etc.), the presence of high vacuum, the use of a heater for simultaneous heating both sources of steam (despite the fact that at a given time only one source is needed in the heater), difficulties associated with controlling the particle size of the steam, etc.

Заявленная группа изобретений (способ формирования многослойных нанокристаллических пленок и устройство для его реализации) свободно от указанных недостатков.The claimed group of inventions (a method of forming multilayer nanocrystalline films and a device for its implementation) is free from these disadvantages.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность получения многослойных периодически чередующихся нанокристаллических пленок разного фазового состава, контролируемой толщины пленок, контролируемой дисперсности зерен, а также увеличение производительности и существенное упрощение устройства для реализации заявленного способа.The technical result of the claimed invention is the possibility of obtaining multilayer periodically alternating nanocrystalline films of different phase composition, controlled film thickness, controlled grain dispersion, as well as an increase in productivity and a significant simplification of the device for implementing the claimed method.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования многослойных нанокристаллических пленок с гетерогенной границей раздела, заключающемся в приготовлении раствора смеси солей металлов, аэрозольном нанесении упомянутого раствора на поверхность подложки в потоке газа-носителя, удалении растворителя из раствора смеси солей металлов и формировании на поверхности подложки многослойных нанокристаллических пленок металлов в результате термического разложения солей металлов, в соответствии с заявленным изобретением поверхность подложки предварительно нагревают, из раствора смеси солей металлов формируют аэрозольный туман, который переносят и осаждают на поверхность подложки потоком кислородсодержащего газа-носителя, давление газа-носителя поддерживают выше атмосферного, формируют гетерогенную границу раздела путем нанесения на сформированный нанокристаллический слой нанокристаллического слоя другого химического состава, отличающегося от предыдущего.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of forming multilayer nanocrystalline films with a heterogeneous interface, which consists in preparing a solution of a mixture of metal salts, aerosol application of the solution on the surface of a substrate in a carrier gas stream, removing solvent from a solution of a mixture of metal salts and forming on the surface substrates of multilayer nanocrystalline metal films as a result of thermal decomposition of metal salts, in accordance with the claimed invention The surface of the substrate is preheated, an aerosol fog is formed from the solution of the mixture of metal salts, which is transferred and deposited onto the surface of the substrate with a stream of oxygen-containing carrier gas, the pressure of the carrier gas is maintained above atmospheric, a heterogeneous interface is formed by applying another chemical layer to the formed nanocrystalline layer of the nanocrystalline layer composition different from the previous one.

Кроме этого, указанный технический результат достигается тем, что подложку предварительно нагревают до температуры в диапазоне 300-700°С.In addition, the specified technical result is achieved by the fact that the substrate is preheated to a temperature in the range of 300-700 ° C.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что аэрозольный туман формируют с помощью ультразвукового генератора.In addition, this technical result is achieved by the fact that aerosol fog is formed using an ultrasonic generator.

Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что давление газа-носителя поддерживают выше атмосферного не более чем на 0,3 атмосферы.In addition, this technical result is achieved in that the pressure of the carrier gas is maintained above atmospheric by no more than 0.3 atmospheres.

Помимо того, указанный технический результат достигается тем, что каждый нанокристаллический слой формируют из раствора смеси солей металлов, содержащей основной компонент и добавку.In addition, the specified technical result is achieved in that each nanocrystalline layer is formed from a solution of a mixture of metal salts containing the main component and the additive.

К тому же, указанный технический результат достигается тем, что в качестве основного компонента используют двухлористое олово с процентным содержанием от 95 до 100% в смеси солей металлов.In addition, the specified technical result is achieved by the fact that tin dichloride with a percentage of from 95 to 100% in a mixture of metal salts is used as the main component.

Помимо этого, указанный технический результат достигается тем, что добавки используют хлориды других металлов (сурьма, медь, кадмий, индий, платина, палладий, золото, серебро, алюминий, цинк, никель, эрбий и др.) с процентным содержанием не более 5% по отношению к основному компоненту.In addition, this technical result is achieved by the fact that the additives use chlorides of other metals (antimony, copper, cadmium, indium, platinum, palladium, gold, silver, aluminum, zinc, nickel, erbium, etc.) with a percentage of not more than 5% in relation to the main component.

Указанный технический результат достигается также реализующим этот способ заявленным устройством для формирования многослойных нанокристаллических пленок с гетерогенной границей раздела, включающим кварцевый реактор с подложками, нагреватель для нагрева подложек, две изолированные друг от друга кюветы для растворов смесей солей металлов, в котором в соответствии с изобретением, каждая из двух изолированных друг от друга кювет снабжена ультразвуковым генератором, на входе устройства установлен компрессор с магнитным клапаном для регулировки избыточного давления в реакторе, к подложке подсоединен через шток электродвигатель, на выходе устройство снабжено нейтрализатором остаточных газов, а кварцевый реактор выполнен в виде трубы, по обе стороны которой размещены металлические втулки.The specified technical result is also achieved by implementing the claimed method for forming multilayer nanocrystalline films with a heterogeneous interface, including a quartz reactor with substrates, a heater for heating substrates, two cuvettes isolated from each other for solutions of mixtures of metal salts, in which, in accordance with the invention, each of the two cuvettes isolated from each other is equipped with an ultrasonic generator, a compressor with a magnetic valve for p gulirovki overpressure in the reactor is connected to the substrate through the motor shaft, the output device is provided with a residual gas neutralizer, and a quartz reactor is designed as a pipe, on both sides of which metal sleeves are placed.

Сущность заявленного способа состоит в следующем.The essence of the claimed method is as follows.

Формирование нанокристаллических пленок с гетерогенной границей раздела, осуществлялось путем создания в двух источниках с помощью ультразвуковых излучателей аэрозольного тумана из водно-спиртовых растворов смесей солей металлов, поочередном аэрозольном нанесении упомянутых растворов на поверхность нагретой подложки в потоке газа-носителя, термическом разложением солей металлов и поочередном формировании на поверхности нагретой подложки нанокристаллических пленок металлов в результате термического разложения солей металлов. Типичная процедура синтеза включает три последовательные стадии: (1) приготовление водного исходного раствора смеси солей металлов, (2) восстановительное разложение исходного раствора на поверхности подложки для получения коллоидной суспензии желаемой фазы конечного продукта и (3) окончательное формирование пленки на поверхности подложки путем термической обработки.The formation of nanocrystalline films with a heterogeneous interface was carried out by creating mixtures of metal salts in two sources using ultrasonic emitters of an aerosol fog from aqueous-alcohol solutions, applying these solutions on the surface of a heated substrate in a carrier gas stream, thermally decomposing metal salts and alternating the formation of nanocrystalline metal films on the surface of a heated substrate as a result of thermal decomposition of metal salts. A typical synthesis procedure includes three successive stages: (1) preparation of an aqueous initial solution of a mixture of metal salts, (2) reductive decomposition of the initial solution on the surface of the substrate to obtain a colloidal suspension of the desired phase of the final product, and (3) final formation of the film on the surface of the substrate by heat treatment .

Первая стадия - приготовление водного исходного раствора смеси солей металлов заключается в приготовлении растворов разного состава. Ниже приведен неполный перечень растворов (в частях по массе) применявшихся при получении полупроводниковых наноструктурированных слоев на основе SnO2:The first stage is the preparation of an aqueous initial solution of a mixture of metal salts consists in the preparation of solutions of different composition. The following is an incomplete list of solutions (in parts by weight) used in the preparation of semiconductor nanostructured layers based on SnO 2 :

1) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O);1) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O);

2) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+0,1·(SbCl3·3H2O);2) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + 0.1 · (SbCl 3 · 3H 2 O);

3) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,7)·SbCl3·NH4F;3) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.7) · SbCl 3 · NH 4 F;

4) 10·C2H5OH+5·(SnCl4·5H2O)+0,1·(SbCl3·3H2O);4) 10 · C 2 H 5 OH + 5 · (SnCl 4 · 5H 2 O) + 0.1 · (SbCl 3 · 3H 2 O);

5) 10·C2H5OH+5·(SnCl4·5H2O)+(0,1-0,2)·NH4F;5) 10 · C 2 H 5 OH + 5 · (SnCl 4 · 5H 2 O) + (0.1-0.2) · NH 4 F;

6) 10·C2H5OH+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,2)·NH4F;6) 10 · C 2 H 5 OH + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.2) · NH 4 F;

7) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,7)·InCl3;7) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.7) · InCl 3 ;

8) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,7)·ZnCl2;8) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.7) · ZnCl 2 ;

9) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,7)·CuCl2;9) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.7) · CuCl 2 ;

10) 10·(H2O)+5·(SnCl2·2H2O)+(0,1-0,3)·ErCl3.10) 10 · (H 2 O) + 5 · (SnCl 2 · 2H 2 O) + (0.1-0.3) · ErCl 3 .

В соответствии с решаемыми задачами из этого перечня растворов выбирались либо один, либо пара соответствующих для получения пленок в устройстве для формирования нанокристаллических структур.In accordance with the tasks to be solved, either one or a pair of films suitable for producing films in a device for the formation of nanocrystalline structures were selected from this list of solutions.

Вторая стадия - восстановительное разложение исходного раствора на поверхности подложки для получения коллоидной суспензии желаемой фазы конечного продукта заключается в поочередном создании в двух источниках с помощью ультразвуковых излучателей аэрозольного тумана из водно-спиртовых растворов смесей солей металлов, и поочередном аэрозольном нанесении соответствующих растворов на поверхность нагретой подложки в потоке газа-носителя, и окончательном формировании пленочной суспензии желаемой фазы конечного продукта.The second stage — the reductive decomposition of the initial solution on the surface of the substrate to obtain a colloidal suspension of the desired phase of the final product — consists of alternating the creation of mixtures of metal salts in two sources with the aid of ultrasonic emitters of aerosol fog from water-alcohol solutions and alternating aerosol deposition of the corresponding solutions on the surface of the heated substrate in the flow of carrier gas, and the final formation of a film suspension of the desired phase of the final product.

Третья стадия - окончательное формирование пленки на поверхности подложки путем термической обработки заключается в поочередном формировании всех запланированных слоев разного состава, достаточной по времени термической выдержке при температурах отжига, охлаждении нагревателя до комнатной температуры и извлечении сформированной многослойной пленочной структуры нанесенной на подложку для решения последующих задач.The third stage - the final formation of the film on the substrate surface by heat treatment consists in the alternate formation of all planned layers of different compositions, sufficient thermal exposure time at annealing temperatures, cooling the heater to room temperature and removing the formed multilayer film structure deposited on the substrate to solve the following problems.

Заявленный способ формирования многослойных нанокристаллических пленок реализуется с помощью устройства для формирования многослойных нанокристаллических пленок, которое представлено на Фиг.1 и состоит: из кварцевой трубы 1, внутренняя рабочая часть которой от внешнего пространства герметизируется двумя металлическими втулками 2; двух ультразвуковых источников пара 3, которые во внутреннюю среднюю область кварцевой трубы поочередно доставляют ультрадисперсные частицы пара двух разных составов (растворы А и В) с помощью газа носителя (сухой воздух, водород, аргон и т.д.), нагнетаемого компрессором 4 через нижнюю втулку; штока 5, вращающегося с помощью электродвигателя 6, введенного в среднюю область кварцевой трубы через верхнюю втулку, и приводящего во вращение держатель подложек 7 с подложками 8, в которых необходимая температура достигается нагревателем 9; трубопровода 10, обеспечивающего ввод, транспортировку и вывод продуктов реакции через все устройство и далее через верхнюю втулку в атмосферу через нейтрализатор 11, скорость перемещения паров по трубопроводу осуществляют с помощью электромагнитного клапана 12.The claimed method of forming multilayer nanocrystalline films is implemented using the device for forming multilayer nanocrystalline films, which is presented in Fig.1 and consists of a quartz tube 1, the inner working part of which is sealed from the outer space by two metal bushings 2; two ultrasonic steam sources 3, which in the inner middle region of the quartz tube alternately deliver ultrafine particles of vapor of two different compositions (solutions A and B) using carrier gas (dry air, hydrogen, argon, etc.), pumped by compressor 4 through the bottom sleeve; rod 5, rotating by means of an electric motor 6, introduced into the middle region of the quartz tube through the upper sleeve, and rotating the holder of substrates 7 with substrates 8, in which the required temperature is reached by heater 9; pipeline 10, providing input, transportation and withdrawal of reaction products through the entire device and then through the upper sleeve into the atmosphere through the catalyst 11, the speed of vapor movement through the pipeline is carried out using an electromagnetic valve 12.

Реализация заявленного изобретения. Материалы, имеющие мелкомасштабное строение микроструктуры, проявляют удивительные и привлекательные с точки зрения технологии свойства. В работах, посвященных получению металлов и их сплавов быстрым охлаждением композитных материалов некоторых стекол, где достигают размера зерен порядка нескольких микрометров (микрон), показан широкий диапазон проявления необычных свойств. Однако в последнее время исследования направлены на снижение размера зерен с микрометрового интервала до нанометрового интервала.The implementation of the claimed invention. Materials with a small-scale microstructure show amazing and attractive properties in terms of technology. In the works devoted to the production of metals and their alloys by rapid cooling of the composite materials of some glasses, where grain sizes of the order of several micrometers (microns) are reached, a wide range of manifestation of unusual properties is shown. Recently, however, studies have focused on reducing grain size from the micrometer interval to the nanometer interval.

Характерной чертой таких наноструктурных материалов является большая доля атомов (до 50%), расположенных на границах зерна или частицы. Фиг.2, где белые кружки обозначают пограничные атомы зерна, а темные кружки обозначают внутренние атомы, схематично иллюстрирует это явление. Большая доля атомов, расположенных на пограничных поверхностях, важна для создания высокой плотности потенциальных центров для каталитических и электрохимических реакций.A characteristic feature of such nanostructured materials is a large fraction of atoms (up to 50%) located at the boundaries of a grain or particle. Figure 2, where white circles indicate the boundary atoms of the grain, and dark circles indicate the internal atoms, schematically illustrates this phenomenon. A large fraction of atoms located on the boundary surfaces is important for creating a high density of potential centers for catalytic and electrochemical reactions.

Наноструктурные материалы, которые относятся к материалам, имеющим размер зерна от 1 до 100 нанометров (1 нм = 10 ангстрем (Å)), обладают существенно отличными и во многих случаях улучшенными химическими и физическими свойствами по сравнению с их эквивалентами того же химического состава, но с зернами микронной величины.Nanostructured materials, which relate to materials having a grain size of 1 to 100 nanometers (1 nm = 10 angstroms (Å)), have significantly different and in many cases improved chemical and physical properties compared to their equivalents of the same chemical composition, but with micron-sized grains.

Материалы с высокой удельной поверхностью наномасштабных размеров представляют особый интерес для применения там, где решающую роль играют вызываемые активными центрами химические реакции. При применении катализатора важна большая поверхность контакта для окисления и восстановления окружающей средой, и потому уменьшение каталитического материала до наномасштаба, явно дает заметное преимущество. Области применения катализаторов могут быть связаны и с очисткой окружающей среды от различного вида загрязнений, с обезвреживанием ядерных отходов, очисткой воды, очисткой от микрочастиц и фильтрацией воздуха, а также катализ для синтетических целей, таких как молекулярные сита, переработка нефти и другие. Однако, несмотря на большой интерес к развитию наностуктурных материалов, для применения в качестве катализатора недостатком современных наностуктурных материалов является склонность частиц образовывать агломераты, в которых пространство пор между частицами становится сопоставимым с размером частиц, то есть, где само пространство пор между частицами имеет наномасштабные размеры. Такие малые размеры пор ограничивают скорость протекания активных веществ в агломераты и через них.Materials with a high specific surface area of nanoscale sizes are of particular interest for applications where chemical reactions caused by active centers play a decisive role. When using a catalyst, a large contact surface is important for oxidation and reduction by the environment, and therefore, reducing the catalytic material to a nanoscale clearly gives a noticeable advantage. The scope of the catalysts can also be associated with the cleaning of the environment from various types of pollution, with the neutralization of nuclear waste, water purification, purification from microparticles and air filtration, as well as catalysis for synthetic purposes, such as molecular sieves, oil refining and others. However, despite the great interest in the development of nanostructured materials, the use of modern nanostructured materials as a catalyst is the tendency of particles to form agglomerates in which the pore space between particles becomes comparable to the particle size, that is, where the pore space between particles has nanoscale sizes . Such small pore sizes limit the rate of active substances in and through the agglomerates.

Другой областью использования наностуктурных материалов являются перезаряжаемые батареи и топливные элементы, где высокая удельная поверхность наностуктурных материалов повышает быстроту взаимодействия активного материала с окружающей средой. Например, для перезаряжаемых батарей с высокой энергетической плотностью необходимость выдерживать высокие импульсы тока в условиях зарядки и разрядки требует максимального контакта электрода и электролита, чтобы достичь высокой плотности переноса ионов и электронов.Another area of use of nanostructured materials is rechargeable batteries and fuel cells, where the high specific surface of nanostructured materials increases the speed of interaction of the active material with the environment. For example, for rechargeable batteries with a high energy density, the need to withstand high current pulses under conditions of charging and discharging requires maximum contact between the electrode and the electrolyte in order to achieve a high transfer density of ions and electrons.

Активные наноструктурные материалы с их высокой плотностью регулируемых дефектов поверхности отвечают этим требованиям, обеспечивая тем самым способ оптимизации высокой энергоемкости батарей.Active nanostructured materials with their high density of adjustable surface defects meet these requirements, thereby providing a way to optimize the high energy consumption of batteries.

Заявленный способ был опробован на лабораторной установке Санк-Петербургского государственного университета, результаты испытаний которого приведены в виде конкретных результатов.The claimed method was tested on a laboratory installation of St. Petersburg State University, the test results of which are given in the form of specific results.

Примеры конкретной реализации заявленного способа. Процесс формирования слоев на основе диоксида олова проводили на лабораторной установке, схема которой представлена на Фиг.1. Подложки предварительно закрепляли на подложкодержателе и нагревали до температуры в диапазоне 300-700°С. Водно-спиртовые растворы на основе хлорида олова с прекурсорами разного состава размещали в узлах ультразвуковых испарителей с растворами А и В, в баллончиках емкостью 2-10 мл, заканчивающихся отводной трубкой.Examples of specific implementations of the claimed method. The process of forming layers based on tin dioxide was carried out in a laboratory setup, a diagram of which is shown in Fig.1. The substrates were pre-fixed on a substrate holder and heated to a temperature in the range of 300-700 ° C. Water-alcohol solutions based on tin chloride with precursors of different compositions were placed in the nodes of ultrasonic evaporators with solutions A and B, in cans with a capacity of 2-10 ml, ending with a drain tube.

Получение тонких пленок двуокиси олова из двуххлористого олова в устройстве для формирования нанокристаллических пленок в результате термического разложения в атмосфере кислорода можно представить по следующей схеме: 1) При растворении SnCl2·2H2O в воде раствор слегка мутнеет из-за образования белой хлорокиси двухвалентного олова SnCl22О→Sn(OH)Cl+HCl; 2) В дальнейшем, под воздействием температуры в реакционной камере, хлорокись двухвалентного олова разлагается, и при переходе в газообразное состояние имеем молекулы моноокиси олова и соляной кислоты Sn(OH)Cl→SnO+HCl; 3) В дальнейшем, в атмосфере кислорода и под действием температуры, происходит образование диоксида олова на рабочей подложке 2SnO+O2→2SnO2 и 2SnO→Sn+SnO2; 4) При этом пары серной кислоты и другие остаточные газы выводятся из рабочей камеры через нейтрализатор наружу.The preparation of thin films of tin dioxide from tin dichloride in a device for the formation of nanocrystalline films as a result of thermal decomposition in an oxygen atmosphere can be represented as follows: 1) When SnCl 2 · 2H 2 O is dissolved in water, the solution becomes slightly cloudy due to the formation of white tin chloride. SnCl 2 + H 2 O → Sn (OH) Cl + HCl; 2) In the future, under the influence of temperature in the reaction chamber, divalent tin oxychloride decomposes, and upon transition to a gaseous state we have molecules of tin monoxide and hydrochloric acid Sn (OH) Cl → SnO + HCl; 3) In the future, in the atmosphere of oxygen and under the influence of temperature, tin dioxide is formed on the working substrate 2SnO + O 2 → 2SnO 2 and 2SnO → Sn + SnO 2 ; 4) In this case, sulfuric acid vapors and other residual gases are removed from the working chamber through the converter to the outside.

К ультразвуковым испарителям для подачи паров на рабочую поверхность подложек подводили сжатый воздух от компрессора, который увлекал формируемые ультразвуковыми генераторами пары соответствующих прекурсоров в зону реакции к поверхности подложек. Контроль расхода воздуха, а соответственно и скорость перемещения паров по трубопроводу, осуществляли с помощью электромагнитного клапана. Время процесса напыления слоя на основе SnO2 варьировалось от 2 до 10 мин.Compressed air was supplied from the compressor to ultrasonic evaporators for supplying vapors to the working surface of the substrates, which entrained the pairs of corresponding precursors formed by ultrasonic generators in the reaction zone to the surface of the substrates. Air flow control, and accordingly the rate of vapor movement through the pipeline, was carried out using an electromagnetic valve. The time of the deposition process of the SnO 2 -based layer varied from 2 to 10 minutes.

Необходимые значения температуры в зоне подложек поддерживали с помощью нагревателя. Вращение подложек, с целью равномерного нанесения пленок, обеспечивали штоком с помощью электродвигателя. При последовательном нанесении на поверхность подложек нескольких чередующихся слоев, время и очередность включений ультразвуковых испарителей с растворами А и В соответственно менялись.The necessary temperature values in the area of the substrates were maintained using a heater. The rotation of the substrates, in order to uniformly apply the films, was provided by a rod using an electric motor. With the successive deposition of several alternating layers on the surface of the substrates, the time and sequence of inclusions of ultrasonic evaporators with solutions A and B changed accordingly.

Толщину напыляемых слоев (d) оценивали методом отражательной эллипсометрии [8] либо просвечивающей электронной микроскопии [9], а показатель преломления (n), согласно методике, приведенной в [8].The thickness of the sprayed layers (d) was estimated by the method of reflective ellipsometry [8] or transmission electron microscopy [9], and the refractive index (n), according to the method described in [8].

Электрическое сопротивление полученных слоев в зависимости от легирующей добавки, толщины слоя и технологических режимов получения колебалось от десятков Ом·см до сотен кОм·см и было определено по методике, приведенной в [10].The electrical resistance of the obtained layers, depending on the dopant, the layer thickness, and technological conditions of production, ranged from tens of Ohm · cm to hundreds of kOhm · cm and was determined by the method described in [10].

Принципиальных ограничений в выборе прекурсора, а соответственно состава пленок, не существует. Возможно нанесение как однокомпонентных и бинарных соединений, так и тройных и более сложных соединений. Основное требование, которое при этом должно быть соблюдено, это то, чтобы из соответствующих хлоридов металлов можно было приготовить водно-спиртовые растворы для последующего нанесения из них пленок.There are no fundamental restrictions on the choice of a precursor, and, accordingly, the composition of the films. It is possible to apply both single-component and binary compounds, as well as triple and more complex compounds. The main requirement, which must be met in this case, is that water-alcohol solutions can be prepared from the corresponding metal chlorides for subsequent film deposition from them.

На Фиг.3 представлен рентгеновский спектр обзорной дифрактограммы полупроводниковой пленки диоксида олова, сформированной предложенным способом из раствора состава (в частях по массе) 10·(SnCl4·Н2О)+10·С2Н5ОН, на поликристаллической подложке из керамики 22-ХС, отснятый на рентгеновском аппарате ДРОН-2 (Cu-Кα - излучение).Figure 3 presents the x-ray spectrum of the diffraction pattern of a semiconductor film of tin dioxide, formed by the proposed method from a solution of the composition (in parts by weight) 10 · (SnCl 4 · N 2 O) + 10 · C 2 H 5 OH, on a polycrystalline ceramic substrate 22-XC, captured on an X-ray machine DRON-2 (Cu-K α - radiation).

На этой дифрактограмме наблюдается только набор основных рефлексов, относящийся к кристаллической фазе SnO2 (касситерит), который был расшифрован с помощью картотеки American Society for Testing and Materials (ASTM), в этой картотеке SnO2 имеет номер №21-1250. При этом фаз, отличных от фазы SnO2, не обнаружено.In this diffractogram, only a set of basic reflections is observed, related to the crystalline phase of SnO 2 (cassiterite), which was decrypted using the American Society for Testing and Materials (ASTM) card file, in this card file SnO 2 is numbered No. 21-1250. In this case, phases other than the SnO 2 phase were not detected.

Кристаллографические характеристики фазы SnO2, представленные в картотеке (ASTM): группа симметрии-Р4/mnm (№136); α0=0,4738 нм; с0=0,3188 нм.The crystallographic characteristics of the SnO 2 phase presented in the card index (ASTM): symmetry group-P4 / mnm (No. 136); α 0 = 0.4738 nm; with 0 = 0.3188 nm.

На Фиг.4 приведено топографическое ACM - изображение фрагмента поверхности пленки SnO2, полученной из раствора 10·(SnCl4·Н2О)+10·С2Н5ОН. Видно, что размер нанообразований на поверхности пленки в среднем меньше, чем 50 нм, при изменении рельефа поверхности по высоте ~80 нм.Figure 4 shows the topographic ACM image of a fragment of the surface of the SnO 2 film obtained from a solution of 10 · (SnCl 4 · Н 2 О) + 10 · С 2 Н 5 ОН. It can be seen that the size of nano formations on the film surface is, on average, less than 50 nm, with a change in surface relief along the height of ~ 80 nm.

На Фиг.5 представлено изображение фрагмента поверхности пленки SnO2, легированной In2O3 количестве 2%, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) HITACHI S-3500N, оснащенного детектором вторичных электронов и детектором обратно рассеянных электронов фирмы Robinson с возможностью увеличения изображения от 15 до 30000 крат, ускоряющего напряжения от 0,3 до 30 кВ. Пленка получена из раствора 9,8·(SnCl4·Н2О)+10·C2H5OH+0,2·(InCl3) Изображения получены с помощью детектора вторичных электронов при ускоряющем напряжении 5 кВ и увеличении 20000 и 20000 крат. Видно, что поверхность пленок состоит из множества нитевидных кристаллов, имеющих произвольную ориентацию нанометровых размеров, находящихся в диапазоне 100-200 нм. Микроскопический анализ одномерных кристаллов позволил обнаружить на вершинах всех наблюдаемых нитей полусферические образования (глобулы), которые являются результатом застывших жидких капель и свидетельством того, что рост осуществлялся по механизму пар-жидкость-кристалл (ПЖК).Figure 5 presents an image of a surface fragment of a SnO 2 film doped with In 2 O 3 in an amount of 2% obtained using a HITACHI S-3500N scanning electron microscope (SEM) equipped with a secondary electron detector and a Robinson back-scattered electron detector with the ability to enlarge the image from 15 to 30,000 times, accelerating voltage from 0.3 to 30 kV. The film was obtained from a solution of 9.8 · (SnCl 4 · Н 2 О) + 10 · C 2 H 5 OH + 0.2 · (InCl 3 ) Images were obtained using a secondary electron detector at an accelerating voltage of 5 kV and magnification of 20,000 and 20,000 krat. It can be seen that the surface of the films consists of many whiskers having an arbitrary orientation of nanometer sizes in the range of 100-200 nm. Microscopic analysis of one-dimensional crystals made it possible to detect hemispherical formations (globules) at the vertices of all observed filaments, which are the result of solidified liquid droplets and evidence that the growth was carried out by the vapor-liquid-crystal (FLC) mechanism.

На Фиг.6 приведено изображение микроструктуры поперечного скола пленка-подложка (пленка - SnO2, подложка - керамика ХС-22) в отраженных электронах. Толщина пленки SnO2 в данном случае составляет ~180 нм.Figure 6 shows the image of the microstructure of the transverse cleavage film-substrate (film - SnO 2 , the substrate is ceramic XC-22) in the reflected electrons. The SnO 2 film thickness in this case is ~ 180 nm.

На Фиг.7 приведено электронно-микроскопическое изображение многослойной структуры из 10 чередующихся слоев SnO2 (5 слоев) и 9,8SnO2+0,2Sb2O3 (5 слоев), приготовленной по заявленному способу с помощью заявленного устройства из растворов четыреххлористого олова и четыреххлористого олова с хлоридом сурьмы составов 10SnCl4·10Н2О+10С2Н5ОН и 9,8SnCl4·9,8H2O+10С2Н5ОН+0,2SbCl3·Н2О. Как видно из Фиг.7 различимы как нанослои разных составов, так и их гетерограницы.Figure 7 shows an electron microscopic image of a multilayer structure of 10 alternating layers of SnO 2 (5 layers) and 9,8SnO 2 + 0,2Sb 2 O 3 (5 layers), prepared according to the claimed method using the inventive device from solutions of tin tetrachloride and tin tetrachloride with antimony chloride of the compositions 10SnCl 4 · 10H 2 O + 10C 2 H 5 OH and 9.8SnCl 4 · 9.8H 2 O + 10C 2 H 5 OH + 0.2SbCl 3 · N 2 O. As can be seen from FIG. .7 distinguishable are both nanolayers of different compositions and their heterointerfaces.

Пример 1. Процесс формирования пленок диоксида олова (SnO2) проводили на лабораторной установке (Фиг.1). Подложки в форме пластин из керамики ХС-22 в количестве 3 штук, толщиной 3 мм и площадью 0,5 см2 каждая, предварительно закрепляли на подложкодержатель и нагревали до температуры 300°С. Водно-спиртовый раствор четыреххлористого олова состава 10SnCl4·10H2O+10C2H5OH в количестве 3 мл размещали в одном из узлов ультразвуковых испарителей.Example 1. The process of forming films of tin dioxide (SnO 2 ) was carried out in a laboratory setting (Figure 1). Substrates in the form of plates made of XC-22 ceramics in the amount of 3 pieces, with a thickness of 3 mm and an area of 0.5 cm 2 each, were pre-fixed on a substrate holder and heated to a temperature of 300 ° C. An aqueous-alcoholic solution of tin tetrachloride of the composition 10SnCl 4 · 10H 2 O + 10C 2 H 5 OH in an amount of 3 ml was placed in one of the nodes of ultrasonic evaporators.

К ультразвуковому испарителю, содержащему раствор четыреххлористого олова, подводили сжатый воздух от компрессора, который увлекал формируемые ультразвуковым генератором пары раствора в зону реакции к поверхности нагретых подложек. Давление воздуха внутри кварцевой трубы было выше атмосферного на 0,1 атмосферы. Время процесса напыления пленок SnO2 составляло 2 мин.Compressed air was supplied to the ultrasonic evaporator containing the tin tetrachloride solution from the compressor, which entrained the solution pairs formed by the ultrasonic generator in the reaction zone to the surface of the heated substrates. The air pressure inside the quartz tube was 0.1 atmospheres higher than atmospheric. The duration of the deposition of SnO 2 films was 2 min.

Пример 2. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением значения температуры подложек, которое составляло 500°С.Example 2. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 1, with the exception of the temperature of the substrates, which was 500 ° C.

Пример 3. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением значения температуры подложек, которое составляло 700°С.Example 3. All technological conditions for the production of films coincide with those described in example 1, except for the temperature of the substrates, which was 700 ° C.

Пример 4. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 4. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 1, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres higher than atmospheric.

Пример 5. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 2, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 5. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 2, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres above atmospheric.

Пример 6. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 3, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 6. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 3, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres above atmospheric.

Пример 7. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 7. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 1, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

Пример 8. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 2, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 8. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 2, with the exception of the air pressure inside the quartz pipe, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

Пример 9. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 3, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 9. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 3, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

В таблице 1 приведены технологические параметры и некоторые свойства для однослойных пленок, выращенных из водно-спиртового раствора четыреххлористого олова состава 10SnCl4·10Н2О+10С2Н5ОН в количестве 3 мл в течение 2 мин.Table 1 shows the technological parameters and some properties for single-layer films grown from an aqueous-alcoholic solution of tin tetrachloride of the composition 10SnCl 4 · 10H 2 O + 10C 2 H 5 OH in an amount of 3 ml for 2 min.

Пример 10. Процесс формирования пленок диоксида олова (SnO2) легированных оксидом сурьмы (Sb2O3) проводили на лабораторной установке (Фиг.1). Подложки в форме пластин из керамики ХС-22 в количестве 3 штук, толщиной 3 мм и площадью 0,5 см2 каждая, предварительно закрепляли на подложке держатель и нагревали до температуры 300°С. Водно-спиртовый раствор четыреххлористого олова и хлорида сурьмы состава 9,8SnCl4·9,8H2O+10C2H5OH+0,2SbCl3·Н2О в количестве 3 мл размещали в одном из узлов ультразвуковых испарителей.Example 10. The process of forming films of tin dioxide (SnO 2 ) doped with antimony oxide (Sb 2 O 3 ) was carried out in a laboratory setup (Figure 1). Substrates in the form of plates made of XC-22 ceramics in an amount of 3 pieces, with a thickness of 3 mm and an area of 0.5 cm 2 each, were pre-fixed to the substrate holder and heated to a temperature of 300 ° C. A water-alcohol solution of tin tetrachloride and antimony chloride of the composition 9.8SnCl 4 · 9.8H 2 O + 10C 2 H 5 OH + 0.2SbCl 3 · N 2 O in an amount of 3 ml was placed in one of the nodes of ultrasonic evaporators.

К ультразвуковому испарителю, содержащему раствор четыреххлористого олова и хлорида сурьмы, подводили сжатый воздух от компрессора, который увлекал формируемые ультразвуковым генератором пары раствора в зону реакции к поверхности нагретых подложек. Давление воздуха внутри кварцевой трубы было выше атмосферного на 0,1 атмосферы. Время процесса напыления пленок SnO2 составляло 2 мин.Compressed air was supplied from the compressor to an ultrasonic evaporator containing a solution of tin tetrachloride and antimony chloride, which entrained the solution vapors formed by the ultrasonic generator in the reaction zone to the surface of the heated substrates. The air pressure inside the quartz tube was 0.1 atmospheres higher than atmospheric. The duration of the deposition of SnO 2 films was 2 min.

Пример 11. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 8, за исключением значения температуры подложек, которое составляло 500°С.Example 11. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 8, with the exception of the temperature of the substrates, which was 500 ° C.

Пример 12. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 8, за исключением значения температуры подложек, которое составляло 700°С.Example 12. All technological conditions for the production of films coincide with those described in example 8, except for the temperature of the substrates, which was 700 ° C.

Пример 13. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны для примера 1, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 13. All technological conditions for producing films coincide with those described for example 1, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres above atmospheric.

Пример 14. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 2, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 14. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 2, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres above atmospheric.

Пример 15. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 3, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,2 атмосферы.Example 15. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 3, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.2 atmospheres above atmospheric.

Пример 16. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 1, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 16. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 1, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

Пример 17. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 2, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 17. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 2, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

Пример 18. Все технологические условия получения пленок совпадают с теми, которые описаны в примере 3, за исключением давления воздуха внутри кварцевой трубы, которое было выше атмосферного на 0,3 атмосферы.Example 18. All technological conditions for producing films coincide with those described in example 3, with the exception of the air pressure inside the quartz tube, which was 0.3 atmospheres above atmospheric pressure.

В таблице 2 приведены технологические параметры и некоторые свойства для однослойных пленок, выращенных из водно-спиртового раствора четыреххлористого олова и хлорида сурьмы состава 9,8SnCl4·9,8H2O+10C2H5OH+0,2SbCl3·H2O10SnCl4·10Н2О+10С2Н5ОН в количестве 3 мл в течение 2 мин.Table 2 shows the technological parameters and some properties for single-layer films grown from a water-alcohol solution of tin tetrachloride and antimony chloride of the composition 9.8SnCl 4 · 9.8H 2 O + 10C 2 H 5 OH + 0.2SbCl 3 · H 2 O10SnCl 4 · 10H 2 O + 10C 2 H 5 OH in an amount of 3 ml for 2 minutes

Пример 19. Процесс формирования пленок, состоящих из 10 слоев, чередующихся слоев диоксида олова (SnO2) и диоксида олова (SnO2), легированных оксидом сурьмы (Sb2O3), проводили на лабораторной установке (Фиг.1). Подложки в форме пластин из керамики ХС-22 в количестве 3 штук, толщиной 3 мм и площадью 0,5 см2 каждая, предварительно закрепляли на подложкодержатель и нагревали до температуры 500°С. Водно-спиртовые растворы четыреххлористого олова и четыреххлористого олова с хлоридом сурьмы составов 10SnCl4·10H2O+10С2Н5ОН и 9,8SnCl4·9,8H2O+10C2H5OH+0,2SbCl3·Н2О в количестве 3 мл каждый, размещали в узлах А и В ультразвуковых испарителей.Example 19. The process of forming films consisting of 10 layers, alternating layers of tin dioxide (SnO 2 ) and tin dioxide (SnO 2 ) doped with antimony oxide (Sb 2 O 3 ), was carried out in a laboratory setup (Figure 1). Substrates in the form of plates made of ceramic XC-22 in an amount of 3 pieces, a thickness of 3 mm and an area of 0.5 cm 2 each, were pre-fixed on a substrate holder and heated to a temperature of 500 ° C. Water-alcohol solutions of tin tetrachloride and tin tetrachloride with antimony chloride of the composition 10SnCl 4 · 10H 2 O + 10С 2 Н 5 ОН and 9.8SnCl 4 · 9.8H 2 O + 10C 2 H 5 OH + 0.2SbCl 3 · Н 2 O in an amount of 3 ml each, was placed in nodes A and B of ultrasonic evaporators.

К ультразвуковым испарителям, содержащим соответствующие растворы поочередно, с интервалом в 2 мин подводили сжатый воздух от компрессора, который увлекал формируемые ультразвуковыми генераторами пары разных растворов в зону реакции к поверхности нагретых подложек. Давление воздуха внутри кварцевой трубы было выше атмосферного на 0,2 атмосферы. Время процесса напыления одного слоя составляло 2 мин, весь процесс напыления 10-ти слойной пленки составил 20 мин.Compressed air was supplied from the compressor to ultrasonic evaporators containing the corresponding solutions alternately, with an interval of 2 minutes, which entrained pairs of different solutions formed by ultrasonic generators in the reaction zone to the surface of the heated substrates. The air pressure inside the quartz tube was 0.2 atmospheres higher than atmospheric. The time of the deposition process of one layer was 2 min; the entire deposition process of a 10-layer film was 20 min.

Таблица 1.Table 1. Технологические параметры и свойства однослойных пленок выращенных из раствора состава 10SnCl4·10Н2О+10C2H5OH в количестве 3 мл в течение 2 мин.Technological parameters and properties of single-layer films grown from a solution of 10SnCl 4 · 10Н 2 О + 10C 2 H 5 OH in an amount of 3 ml for 2 min. № примера (№ подложки)Example No. (Substrate No.) Температура подложки, °СSubstrate temperature, ° С Давление сжатого воздуха, атмPressure of compressed air, atm Сопротивление пленки (R), ОмFilm Resistance (R), Ohm Показатель преломления (n), отн.ед.Refractive Index (n), rel. Толщина (d), нмThickness (d), nm 1(1)1 (1) 17801780 1,540±0,0051,540 ± 0,005 70±1070 ± 10 1(2)1 (2) 300300 16601660 1,570±0,0051,570 ± 0,005 81±1081 ± 10 1(3)1 (3) 18101810 1,545±0,0051,545 ± 0,005 75±1075 ± 10 2(1)2 (1) 12001200 1,762±0,0051.762 ± 0.005 120±10120 ± 10 2(2)2 (2) 500500 1,1±0,011.1 ± 0.01 12201220 1,764±0,0051.764 ± 0.005 137±10137 ± 10 2(3)2 (3) 11701170 1,761±0,0051,761 ± 0,005 125±10125 ± 10 3(1)3 (1) 14001400 1,540±0,0051,540 ± 0,005 220±10220 ± 10 3(2)3 (2) 700700 15721572 1,570±0,0051,570 ± 0,005 260±10260 ± 10 3(3)3 (3) 14501450 1,545±0,0051,545 ± 0,005 235±10235 ± 10 4(1)4 (1) 12701270 1,520±0,0051,520 ± 0,005 120±10120 ± 10 4(2)4 (2) 300300 13701370 1,570±0,0051,570 ± 0,005 110±10110 ± 10 4(3)4 (3) 12701270 1,535±0,0051.535 ± 0.005 135±10135 ± 10 5(1)5 (1) 700700 1,757±0,0051,757 ± 0,005 220±10220 ± 10 5(2)5 (2) 500500 1,2±0,011.2 ± 0.01 850850 1,760±0,0051,760 ± 0,005 200±10200 ± 10 5(3)5 (3) 708708 1,755±0,0051,755 ± 0,005 225±10225 ± 10 6(1)6 (1) 13701370 1,570±0,0051,570 ± 0,005 320±10320 ± 10 6(2)6 (2) 700700 14071407 1,548±0,0051,548 ± 0,005 360±10360 ± 10 6(3)6 (3) 14651465 1,525±0,0051.525 ± 0.005 335±10335 ± 10 7(1)7 (1) 970970 1,570±0,0051,570 ± 0,005 200±10200 ± 10 7(2)7 (2) 300300 10101010 1,541±0,0051.541 ± 0.005 208±10208 ± 10 7(3)7 (3) 937937 1,546±0,0051,546 ± 0,005 215±10215 ± 10 8(1)8 (1) 570570 1,765±0,0051.765 ± 0.005 312±10312 ± 10 8(2)8 (2) 500500 1,3±0,011.3 ± 0.01 610610 1,764±0,0051.764 ± 0.005 330±10330 ± 10 8(3)8 (3) 637637 1,764±0,0051.764 ± 0.005 325±10325 ± 10 9(1)9 (1) 11701170 1,540±0,0051,540 ± 0,005 410±10410 ± 10 9(2)9 (2) 700700 11101110 1,570±0,0051,570 ± 0,005 380±10380 ± 10 9(3)9 (3) 12371237 1,525±0,0051.525 ± 0.005 435±10435 ± 10

Таблица 2.Table 2. Технологические параметры и свойства однослойных пленок, выращенных из раствора состава 9,8SnCl4·9,8H2O+10C2H5OH+0,2SbCl3·H2O в количестве 3 мл в течение 2 мин.Technological parameters and properties of single-layer films grown from a solution of 9.8SnCl 4 · 9.8H 2 O + 10C 2 H 5 OH + 0.2SbCl 3 · H 2 O in an amount of 3 ml for 2 minutes № примера (№ подложки)Example No. (Substrate No.) Температура подложки, °СSubstrate temperature, ° С Давление сжатого воздуха, атмPressure of compressed air, atm Сопротивление пленки (R), ОмFilm Resistance (R), Ohm Показатель преломления (n), отн.ед.Refractive Index (n), rel. Толщина (d), нмThickness (d), nm 10(1)10 (1) 10801080 1,630±0,0051,630 ± 0,005 74±1074 ± 10 10(2)10 (2) 300300 960960 1,680±0,0051,680 ± 0,005 82±1082 ± 10 10(3)10 (3) 10101010 1,655±0,0051,655 ± 0,005 71±1071 ± 10 11(1)11 (1) 400400 1,852±0,0051.852 ± 0.005 115±10115 ± 10 11(2)11 (2) 500500 1,1±0,011.1 ± 0.01 420420 1,874±0,0051.874 ± 0.005 124±10124 ± 10 11(3)11 (3) 440440 1,841±0,0051.841 ± 0.005 128±10128 ± 10 12(1)12 (1) 11001100 1,630±0,0051,630 ± 0,005 215±10215 ± 10 12(2)12 (2) 700700 10721072 1,670±0,0051.670 ± 0.005 256±10256 ± 10 12(3)12 (3) 950950 1,655±0,0051,655 ± 0,005 229±10229 ± 10 13(1)13 (1) 770770 1,640±0,0051,640 ± 0,005 117±10117 ± 10 13(2)13 (2) 300300 670670 1,650±0,0051,650 ± 0,005 113±10113 ± 10 13(3)13 (3) 820820 1,635±0,0051,635 ± 0,005 134±10134 ± 10 14(1)14 (1) 310310 1,847±0,0051.847 ± 0.005 225±10225 ± 10 14(2)14 (2) 500500 1,2±0,011.2 ± 0.01 350350 1,870±0,0051.870 ± 0.005 217±10217 ± 10 14(3)14 (3) 328328 1,855±0,0051.855 ± 0.005 228±10228 ± 10 15(1)15 (1) 779779 1,660±0,0051,660 ± 0,005 314±10314 ± 10 15(2)15 (2) 700700 807807 1,658±0,0051.658 ± 0.005 354±10354 ± 10 15(3)15 (3) 865865 1,665±0,0051,665 ± 0,005 345±10345 ± 10 16(1)16 (1) 670670 1,670±0,0051.670 ± 0.005 212±10212 ± 10 16(2)16 (2) 300300 610610 1,661±0,0051,661 ± 0,005 204±10204 ± 10 16(3)16 (3) 737737 1,646±0,0051,646 ± 0,005 213±10213 ± 10 17(1)17 (1) 270270 1,865±0,0051.865 ± 0.005 310±10310 ± 10 17(2)17 (2) 500500 1,3±0,011.3 ± 0.01 210210 1,854±0,0051.854 ± 0.005 327±10327 ± 10 17(3)17 (3) 237237 1,874±0,0051.874 ± 0.005 322±10322 ± 10 18(1)18 (1) 870870 1,640±0,0051,640 ± 0,005 417±10417 ± 10 18(2)18 (2) 700700 910910 1,640±0,0051,640 ± 0,005 385±10385 ± 10 18(3)18 (3) 837837 1,615±0,0051.615 ± 0.005 425±10425 ± 10

Анализ практических результатов исследований, представленных в таблицах 1 и 2, позволяет сделать вывод о том, что многослойные пленки, состоящие из чередующихся из слоев диоксида олова (SnO2) и диоксида олова (SnO2) легированных оксидом сурьмы (Sb2O3), необходимо проводить при температуре 500°С и давлении воздуха внутри кварцевой трубы 1,2 атм. Именно при таких технологических режимах удается получать пленки указанных составов с показателем преломления n находящихся в диапазоне 1,75-1,88 и достаточно хорошо совпадающими со справочными данными, равными 1,87-1,89 [1-3].An analysis of the practical results of the studies presented in Tables 1 and 2 allows us to conclude that multilayer films consisting of alternating layers of tin dioxide (SnO 2 ) and tin dioxide (SnO 2 ) doped with antimony oxide (Sb 2 O 3 ), must be carried out at a temperature of 500 ° C and an air pressure inside the quartz tube of 1.2 atm. It is under such technological conditions that it is possible to obtain films of these compositions with a refractive index n in the range of 1.75-1.88 and quite well matching reference data equal to 1.87-1.89 [1-3].

Таким образом, заявленная группа изобретений позволяет, как показали многочисленные примеры апробации, проведенные на лабораторной базе Санкт-Петербургского государственного университета, получать многослойные периодически чередующиеся нанокристаллические пленки разного фазового состава с контролируемой толщиной пленок и с контролируемой дисперсностью зерен; увеличить производительность получения таких многослойных чередующихся нанокристаллических пленок разного фазового состава и с высокой адгезией, а также позволяет существенно упростить устройство, реализующее заявленный способ. Фактически заявлена новая технология изготовления металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов и приборов с использованием новых нанокристаллических пленок с высокой адгезией и с разным фазовым составом.Thus, the claimed group of inventions allows, as shown by numerous examples of testing conducted at the laboratory base of St. Petersburg State University, to obtain multilayer periodically alternating nanocrystalline films of different phase composition with a controlled film thickness and a controlled grain dispersion; to increase the productivity of obtaining such multilayer alternating nanocrystalline films of different phase composition and with high adhesion, and also allows to significantly simplify the device that implements the claimed method. In fact, a new technology has been announced for the manufacture of metallic, semiconductor and dielectric materials and devices using new nanocrystalline films with high adhesion and with different phase compositions.

Использованные источникиUsed sources

1. Суйковская Н.В. Химические методы получения прозрачных пленок. Л.: Химия, 1971, 200 с.1. Suikovskaya N.V. Chemical methods for producing transparent films. L .: Chemistry, 1971, 200 p.

2. Вайнштейн В.М., Фистуль В.И. Широкозонные окисные полупроводники. Итоги науки и техники, сер. Электроника и ее применение, 1973, с.108-146.2. Weinstein V.M., Fistul V.I. Wide-gap oxide semiconductors. Results of science and technology, ser. Electronics and its application, 1973, pp. 108-146.

3. Рюмин В.П. Технология и применение серебряных и окиснооловянных тонкослойных покрытий. Л.: Энергия, 1979, 118 с.3. Ryumin V.P. Technology and application of silver and oxide-tin thin-layer coatings. L .: Energy, 1979, 118 p.

4. Патент РФ №2326818 C1, C01G 23/047, C12N 11/14, B01J 37/36, 20.06.2008.4. RF patent No. 2326818 C1, C01G 23/047, C12N 11/14, B01J 37/36, 06/20/2008.

5. Патент РФ №2233791 С2, В82В 3/00, B22F 9/30, G11B 5/845, 10.08.2004.5. RF patent No. 2233791 C2, B82B 3/00, B22F 9/30, G11B 5/845, 08/10/2004.

6. Патент РФ №2233791 С2, В82В 3/00, B22F 9/30, G11B 5/845, 10.08.2004 (прототип для способа).6. RF patent No. 2233791 C2, B82B 3/00, B22F 9/30, G11B 5/845, 08/10/2004 (prototype for the method).

7. Патент РФ №2175692 С2, С30В 23/02, 25/02, 10.11.2001 (прототип для устройства).7. RF patent No. 2175692 C2, C30B 23/02, 25/02, 10.11.2001 (prototype for the device).

8. Томаев В.В., Панов М.Ф. Эллипсометрический контроль параметров пленок селенида свинца при окислении. // Физ. и хим. стекла. 2006. Т.32. №3. С.511-515.8. Tomaev V.V., Panov M.F. Ellipsometric control of the parameters of lead selenide films during oxidation. // Phys. and chem. glass. 2006.V.32. Number 3. S.511-515.

9. Калинина М.В., Мошников В.А., Тихонов П.А., Томаев В.В., Дроздова И.А. Температурные исследования сопротивления металлооксидных полупроводников на основе диоксида олова. // Физ. и хим. стекла. 2003. Т.29. №3. С.450-456.9. Kalinina M.V., Moshnikov V.A., Tikhonov P.A., Tomaev V.V., Drozdova I.A. Temperature studies of the resistance of tin dioxide-based metal oxide semiconductors. // Phys. and chem. glass. 2003.V.29. Number 3. S.450-456.

10. Калинина М.В., Мошников В.А., Тихонов П.А., Томаев В.В., Михайличенко С.В. Температурные исследования сопротивления металлооксидных полупроводников на основе диоксида олова. // Физ. и хим. стекла. 2003. Т.29. №4. С.582-590.10. Kalinina M.V., Moshnikov V.A., Tikhonov P.A., Tomaev V.V., Mikhaylichenko S.V. Temperature studies of the resistance of tin dioxide-based metal oxide semiconductors. // Phys. and chem. glass. 2003.V.29. Number 4. S.582-590.

Claims (8)

1. Способ формирования многослойных нанокристаллических пленок с гетерогенной границей раздела, заключающийся в приготовлении раствора смеси солей металлов, аэрозольном нанесении упомянутого раствора на поверхность подложки в потоке газа-носителя, удалении растворителя из раствора смеси солей металлов и формировании на поверхности подложки многослойных нанокристаллических пленок металлов в результате термического разложения солей металлов, отличающийся тем, что поверхность подложки предварительно нагревают, из раствора смеси солей металлов формируют аэрозольный туман, который переносят и осаждают на поверхность подложки потоком кислородсодержащего газа-носителя, давление газа-носителя поддерживают выше атмосферного, формируют гетерогенную границу раздела путем нанесения на сформированный нанокристаллический слой нанокристаллического слоя другого химического состава, отличающегося от предыдущего.1. A method of forming multilayer nanocrystalline films with a heterogeneous interface, which consists in preparing a solution of a mixture of metal salts, aerosolizing the solution on a surface of a substrate in a carrier gas stream, removing solvent from a solution of a mixture of metal salts and forming multilayer nanocrystalline metal films on a substrate in the result of thermal decomposition of metal salts, characterized in that the surface of the substrate is preheated from a solution of a mixture of salts aerosol fog is formed to it of metals, which is transferred and deposited onto the substrate surface with a stream of oxygen-containing carrier gas, the carrier gas pressure is maintained above atmospheric, a heterogeneous interface is formed by applying a different chemical composition to the formed nanocrystalline layer of a nanocrystalline layer different from the previous one. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность подложки предварительно нагревают до температуры в диапазоне 300-700°С.2. The method according to claim 1, characterized in that the surface of the substrate is preheated to a temperature in the range of 300-700 ° C. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что аэрозольный туман формируют с помощью ультразвукового генератора.3. The method according to claim 2, characterized in that the aerosol fog is formed using an ultrasonic generator. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что давление газа-носителя поддерживают выше атмосферного не более чем на 0,3 атмосферы.4. The method according to claim 3, characterized in that the pressure of the carrier gas is maintained above atmospheric by no more than 0.3 atmospheres. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что каждый нанокристаллический слой формируют из раствора смеси солей металлов, содержащей основной компонент и добавку.5. The method according to claim 4, characterized in that each nanocrystalline layer is formed from a solution of a mixture of metal salts containing the main component and the additive. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве основного компонента используют двухлористое олово с процентным содержанием от 95 до 100% в смеси солей металлов.6. The method according to claim 5, characterized in that tin dichloride with a percentage of from 95 to 100% in a mixture of metal salts is used as the main component. 7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что в качестве добавки используют хлориды других металлов, таких как сурьма, медь, кадмий, индий, платина, палладий, золото, серебро, алюминий, цинк, никель, эрбий с процентным содержанием не более 5% по отношению к основному компоненту.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that as an additive use chlorides of other metals, such as antimony, copper, cadmium, indium, platinum, palladium, gold, silver, aluminum, zinc, nickel, erbium with a percentage no more than 5% in relation to the main component. 8. Устройство для формирования многослойных нанокристаллических пленок с гетерогенной границей раздела, включающее кварцевый реактор с подложками, нагреватель для нагрева подложек, две изолированные друг от друга кюветы для растворов смесей солей металлов, отличающееся тем, что каждая из двух изолированных друг от друга кювет снабжена ультразвуковым генератором, на входе устройство снабжено компрессором и магнитным клапаном для регулировки избыточного давления в реакторе, к подложке подсоединен через шток электродвигатель, на выходе устройство снабжено нейтрализатором остаточных газов, кварцевый реактор выполнен в виде трубы, по обе стороны которой размещены металлические втулки. 8. A device for forming multilayer nanocrystalline films with a heterogeneous interface, including a quartz reactor with substrates, a heater for heating the substrates, two isolated cuvettes for solutions of mixtures of metal salts, characterized in that each of the two isolated from each other cuvette is equipped with ultrasonic generator, at the inlet the device is equipped with a compressor and a magnetic valve for adjusting the overpressure in the reactor, an electric motor is connected to the substrate through the rod, the device is equipped with a residual gas converter, the quartz reactor is made in the form of a pipe, on both sides of which there are metal bushings.
RU2010121311/05A 2010-05-27 2010-05-27 Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line RU2436876C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121311/05A RU2436876C1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010121311/05A RU2436876C1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2436876C1 true RU2436876C1 (en) 2011-12-20

Family

ID=45404357

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010121311/05A RU2436876C1 (en) 2010-05-27 2010-05-27 Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2436876C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103762308A (en) * 2014-01-09 2014-04-30 同济大学 Polymorphic gallium antimony-tin selenide multilayer nano-composite phase change material and preparation and application thereof

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2175692C2 (en) * 1997-07-09 2001-11-10 Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л.Хетагурова Device for forming multilayer structures
RU2233791C2 (en) * 2002-03-26 2004-08-10 Закрытое акционерное общество "ТЕТРА" Method of obtaining nano-particles and manufacture of materials containing nano-particles

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2175692C2 (en) * 1997-07-09 2001-11-10 Северо-Осетинский государственный университет им. К.Л.Хетагурова Device for forming multilayer structures
RU2233791C2 (en) * 2002-03-26 2004-08-10 Закрытое акционерное общество "ТЕТРА" Method of obtaining nano-particles and manufacture of materials containing nano-particles

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATIL, L.A. et al. Highly sensitive and quickly responding ultrasonically sprayed nanostructured SnO 2 thin film for hydrogen gas sensing, "Sensors and Acruators, B: Chemical", 2009, vol.143, no.1, p.p.270-277. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103762308A (en) * 2014-01-09 2014-04-30 同济大学 Polymorphic gallium antimony-tin selenide multilayer nano-composite phase change material and preparation and application thereof
CN103762308B (en) * 2014-01-09 2016-08-24 同济大学 Polymorphic gallium antimony-tin selenide multilayer nano-composite phase change material and preparation thereof and application

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ovenstone et al. Effect of hydrothermal treatment of amorphous titania on the phase change from anatase to rutile during calcination
Salavati-Niasari et al. Synthesis, characterization, and morphological control of ZnTiO3 nanoparticles through sol-gel processes and its photocatalyst application
Toma et al. A review of recent advances in ZnO nanostructured thin films by various deposition techniques
Toubane et al. Structural, optical and photocatalytic properties of ZnO nanorods: Effect of aging time and number of layers
Verma et al. Tetragonal zirconia quantum dots in silica matrix prepared by a modified sol–gel protocol
Nor et al. Synthesis of TiO2 nanowires via hydrothermal method
Xie et al. Role of sodium ion on TiO2 photocatalyst: influencing crystallographic properties or serving as the recombination center of charge carriers?
JP2010285332A (en) ITO particle production method, ITO powder, coating for transparent conductive material and transparent conductive film
Sadeghzadeh-Attar Preparation and enhanced photocatalytic activity of Co/F codoped tin oxide nanotubes/nanowires: a wall thickness-dependence study
Gao et al. Effect of substrate pretreatment on controllable growth of TiO2 nanorod arrays
Yan et al. Titanium dioxide nanomaterials
Bastakoti et al. Synthesis of highly photocatalytic TiO2 microflowers based on solvothermal approach using N, N-dimethylformamide
JP2009013038A (en) Superhydrophilic / hydrophobic patterned surface, anatase TiO2 crystal pattern and methods for their preparation
Homcheunjit et al. Structural, optical, and electrical properties via two simple routes for the synthesis of multi-phase potassium antimony oxide thin films
Mrabet et al. Mechanism of wettability conversion on sprayed Zn2SnO4 thin films surfaces modified by thermal annealing in air
Ling et al. One-dimensional single-crystalline bismuth oxide micro/nanoribbons: morphology-controlled synthesis and luminescent properties
Alinauskas et al. Nanostructuring of SnO2 via solution-based and hard template assisted method
RU2436876C1 (en) Formation method of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line and formation device of multi-layer nanocrystalline films with heterogeneous boundary line
Kurland et al. Preparation of Spherical Titania Nanoparticles by CO2 Laser Evaporation and Process‐Integrated Particle Coating
Shokuhfar et al. Synthesis of zinc oxide nanopowder and nanolayer via chemical processing
Bhardwaj et al. Nanostructural evolution of hydrothermally grown SrTiO3 perovskite and its implementation in gaseous phase detection of ethanol
Răileanu et al. Sol–gel doped TiO2 nanomaterials: a comparative study
CN102992392B (en) A preparation method of strontium titanate hollow nanorod array
Liu et al. Surface doping of TiO2 powders via a gas–melt reaction using thermal plasma as an excitation source
JP4697808B2 (en) Titanium aco-oxo chloride and process for its preparation