4.4 Газфазалы тотықсыздандырғыш қатысында аралас қабықшаларды фотохимиялық әдіспен диэлектриктердің бетіне қондыру және зерттеу
Зерттеу жұмысының бұл бөлімінде тотықсыздандырғыш ретінде газтәрізді фосфинді қолдана отырып әртүрлі беттерді мыс және оның аналогтары құрамды қабықшалармен қаптаудың төментемпературалы технологиясы жасау қарастырылады. Алдыңғы уақыттарда осы тотықсыздандырғыштың көмегімен металдық және диэлектрлік беттерге мыс-фосфорлы және күміс қаптамаларды қондырудың технологиялары жасалған болатын [185-188]. Зерттеу нәтижелері оқу үрдісіне ендіріліп, №527 (14.06.2017ж.) актісімен дәлелденген (Қосымша Д).
Фосфиннің хлорлы алтынмен реакциясының айырмашылығына реакция өнімінде фосфиді жоқ таза алтын түзілетіндігі жатады [189].
2AuCI3 + PH3 + 3H2O → 2Au + H3PO3 + 6HCI. (4.18)
Алтындау кезіндегі үрдістің әрбір сатысы 4.16 суретке сәйкес келтірілген.
а – бастапқы үлгі; b – хлорлы алтынның сорбциялық қабаты қондырылған үлгі; c- сорбциялық қабатты кептіргеннен кейін; d – хлорлы алтынды фосфин-газбен тотықсыздандырғаннан соң; e – алтынды қосалқы өнімдерден тазартқаннан соң
Сурет 4.16 – Алтындау технологиясының негізгі сатылары мен үлгі бетінің өзгеруі
Сорбциялық қабатты жасау үшін бұйымның бетіне шайылғыштық қасиетті беру қажет. Осы мақсатта өңдеу және майсыздандыру секілді беттерді дайындаудың алдын-ала үрдістері жүргізілді. Мұнда техникалық әдебиеттерде келтірілген әдістемелер қолданылды [142]. Беткі қабаты қуысты және тегіс емес металл емес материалдар үшін өңдеу операциялары міндетті емес.
Осылшай дайындалған үлгілерді 4.16a суретке сәйкес хлорлы алтын ерітіндісіне 1-3 мин батырады. Мүнда үлгінің беткі қабатында сорбциялық қабат 4.16b суретке сәйкес түзіледі.
Айта кетерлік жәйт, сорбциялық қабатты жасауға қажетті ерітіндідегі хлорлы алтынның концентрациясы алынатын алтын қаптамасының қалыңдығына әсер етеді. Осылайша 10-150 г/л концентрацияда қаптама қалыңдығы (тегіс бетті үлгілер үшін) 0,03-0,5 мкм құрады.
Кейін бұйымды 250С температурада жеткілікті газ өткізгіштігі бар хлорлы алтынның ылғалды қаптамасы түзілгенге дейін 4.16с суретке сәйкес кептіреді. Кептіру уақытта әдетте 50-60 мин құрайды. Осындай әдіспен кептірілген бұйымды герметикалық камераға орналастырады және сіңірілуі тоқтағанша фосфин газын жібереді.
Фосфинді алу мен беткі қаптамаларды алу үшін оны қолдану, сонымен қатар қаптама қалыңдықтарын анықтау әдістемелері алдыңғы келтірілген жұмыстардан [187,188] айырмашылығы жоқ.
Фосфиннің хлорлы алтынмен реакциясы нәтижесінде бұйымның бетінде реакцияның қосалқы өнімдері бар алтын қаптамасы 4.16d суретке сәйкес түзіледі. Сумен шайғаннан соң таза алтынмен қапталған үлгі 4.16e және 4.16d суреттерге сәйкес алынады.
Алтын қаптамалары қондырылған әртүрлі материалдардың үлгілері 4.17 суретке сәйкес суретте көрсетілген.
a b c d
a – алтынмен қапталған мақта-мата; b – алтынмен қапталған полихлорвинил;
c – алтын-мыс қаптамасы бар мақта-мата; d– алтын-алмаз қаптамасы бар полистирол
Сурет 4.17- Алтын қаптамалары қондырылған әртүрлі материалдардың үлгілері
Алтын қаптамаларын қондыру үрдістері мақта-матасы 4.17а суретке сәйкес мен қуысты полихлорвинил 4.17б суретке сәйкес үлгілерінде зерттелді. Үлгілерді құрамында 100 г/л AuCI3 бар ерітіндіге 3 мин батырады. Кейіннен шайқату арқылы хлорлы алтын ерітіндісінің артық мөлшерін жояды. Осыдан соң үлгіні 250С температурада 1 сағ уақытта кептіреді.
Ылғалды үлгіні азотпен үрлеу арқылы артық ауасы жойылатын герметикалық камераға орналастырады. Камераға фосфин-газы бар ыдысты жалғайды. Қондырғыда [187,190] сумен толтырылған теңгерімдек ыдыстар бар, оның көмегімен фосфиннің камераға ағымын қамтамасыз етуші вакуум жасалады. Сонымен қатар, теңгерімдік ыдыстардағы су деңгейінің өзгерісіне қарап үрдістің жылдамдығын анықтауға болады. Әдетте, реакцияны жүргізуге қажетті уақыт 5-10 мин құрайды. Үлгіні қосалқы өнімдерден шаяды және ауада кептіреді. 4.17а, 4.17б суреттерге сәйкес келтірілгендей, үлгінің бетінде алтынға тән сары түсті біркелкі қаптама түзілген.
Әртүрлі үлгілердегі қаптамалардың құрамы мен құрылымын зерттеу ISM-6490-LV (JEOL, Жапония) растрлы электронды микроскобында жүргізілді. Мұнда қаптаманың кішкене қалыңдығына байланысты спектрлерде материалдың негізін құраушы элементтердің де шыңдары байқалады. Бұл элементтердің пайыздық құрамы алтын қаптамасының қалыңдығына қарай өзгеріп отырады. Алынушы қаптамаларды талдау кезінде бұл спектрлер есепке алынбады. Осылайша, мақта-матадағы қаптаманың талдау кезінде, ағымдағы матаның құрамына кіруші көміртегі, азот пен оттегіні есепке алмағанда, қаптама тек таза алтыннан тұратыны 4.18 суретке сәйкес байқалады.
Сурет 4.18 – Мақта-матадағы алтын қаптамаларының спектерлері мен элементтік құрамы
Қуысты полихлорвинил үлгісінде, егер ағымдағы полихлорвинил құрамына енуші элементтерді есепке алмағанда, алынған қаптама да таза алтыннан 4.19 суретке сәйкес тұрады. Аса қара түсті аймақтар қуыстарға сәйкес келеді [191].
Сурет 4.19 – Қуысты полихлорвинил үлгісіндегі алтын қаптамаларының спектерлері мен элементтік құрамы
Жиі қаттылық пен тозуға төзімділікті арттыру үшін алтынға басқа да металл қоспаларын енгізеді, әдетте мысты. Аталмыш жұмыста дәке матасында (артикул АА010278, 4.17с суретке сәйкес) алтын мен мысты бірге тотықсыздандыру үрдісі зерттелген. Сорбциялық қабатты жасау үшін құрамында 100 г/л AuCl3 и 20 г/л CuCI2 бар ерітінді қолданылды.
Мата құрамына енуші элементтерді (C, O, Si, CI, Ca) есеп алмағандағы элементтік құрам қаптамада алтыннан бөлек мыс және фосфор бар екендігін 4.20 суретке сәйкес көрсетеді.
Сурет 4.20 – Алтынды мыспен бірге тұндыру арқылы алынған қаптаманың спектрлері мен элементтік құрамы
Мыс фосфидінің түзілуі келесі реакция бойынша мүмкін
6 CuSO4+3PH3+3H2O→2Cu3P+6H2SO4+H3PO3. (4.19)
Мұнда қаптамадағы мыс фосфидінің мөлшері 16,7% (салмақ) құрайды.
Алтынның механикалық қасиеттерін жақсарту үшін қаптама құрамына алмаз бөлшектерін ендіру үрдісі де зерттелді. Бұл зерттеулер полистиролдан жасалған жазық бетті пласинада 4.17d суретке сәйкес жүргізілді және детонациялық жарылыс нәтижесінде алынатын АСМ 5 маркалы (Ресей) синтетикалық алмаз ұнтағы қолданылды. Ұнтақ призматәріздес ұнтақтардан тұрады және олардың орташа өлшемі 0,5-1,0 мкм құрайды [186]. Ылғалды пластинаның бетіне хлорлы алтын ерітіндісінің сорбциялық қабатын жасағаннан соң сығылған ауаның көмегімен синтетикалық алмаздың бөлшектері шашыратылады. Алмаздың бөлшектері зерттелуші материалдың бетіндегі алтын қаптамасында 4.21 суретке сәйкес бекітіледі. Беткі қабаттың спектріндегі көміртегі мөлшері 83,47% құрайды. Полимерлі пластинаға жатыстырылатын көміртегі мөлшерін алғаннан соң (79,22%) қаптамадағы алмаздың мөлшері 4,25% құрайды. Алмаздың осы бөлшектеріне қосымша алтын қаптамасын қондырғанда алтын-алмазды композициялық қаптамасын алуға болады.
Сурет 4.21 - Шашыратылған алтын бөлшектері бар алтын қаптамаларының спектрлері мен элементтік құрамы
Диэлектрлі беттерге алтын қаптамаларын қондырудың технологиясы алтын иондарын фосфин-газбен тотықсыздандыруға негізделген. Осы орайда шайылту әдісі арқылы бұйымның беткі қабатында хлорлы алтынның сорбциялық қабаты түзіледі. Аталған ерітіндідегі хлорлы алтынның концентрациясына байланысты 0,03-0,5 мкм аралығындағы қаптамалар алынады. Растрлы электродық микроскоп көмегімен қаптама құрамдарын зерттеу реакция өнімінің таза алтын екендігін көрсетті. Зерттеу нәтижелері Мәскеу қаласында өткен «Quality Education-2016» конкурсында және "Internatinalisation of higher education. Methodology of teaching technical and humanitarian disciplines in the context of globalization of higher education" халықаралық конференциясында (Брюссель, Бельгия, 2017) баяндалды (Қосымша Е, Ж).
Хлорлы алтын ерітіндісіне мыс (ІІ) хлор ерітіндісін енгізгенде екі құрамдастың да тотықсыздануы жүзеге асады. Соған қарай, мыс иондарының фосфинмен тотықсыздануы нәтижесінде [186] жұмыста келтірілген механизмге сәйкес мыс фосфиді түзіледі. Осылайша, аталмыш технологияны қолдану арқылы алтын-мыс фосфиді аралас қаптамасын алуға болады.
Аралас алтын құрамдас қаптамаларды қатты фазалы бөлшектерді шашырату арқылы да алуға болады. Бұл бөлшектер хлорлы алтын ерітіндісінің сорбциялық қабаты бар бұйым бетіне шашыратылады және фосфин-газбен тотықсыздану кезінде түзілетін металдық алтынмен бекітіледі. Осы жұмыста аталмыш әдіс алтын-алмаз қаптамаларын алуға тексерілді. Мұнда құрамында 4,25% алмазы бар аралас қаптама алынды [191].