Методика проведения эксперимента. Исследование проводится в системе реагентов ТИПТ–О3–О2–Ar

Исследование проводится в системе реагентов ТИПТ–О3–О2–Ar. Все эксперименты проводятся на установке, содержащей три основных блока: газораспределительную систему, реакционный блок и электрическую систему. На рис. 2 изображена схема газораспределительной системы, предназначенная для создания рабочей газовой смеси системы реагентов ТИПТ–О3–О2–Ar, которая направляется в реакционный блок. В реактор 17 по разным газовым магистралям подаются две газовые смеси: ТИПТ–Ar и О₂–О₃–Ar. Вместе они смешиваются только в вблизи подложки.

Кислород подается через регуляторы расхода газа 12, 14 по двум газотранспортным магистралям: разбавления и озонирования. В последней встроен озонатор 15 – плазмохимический реактор, где происходит синтез озон-кислородной смеси. Чтобы понизить исходную влажность кислорода и очистить от мелкодисперсных частиц (цеолита) газ проходит через осушительную колонку 1 с цеолитом NaA и фильтр 2, соответственно. Аргон, как газ-разбавитель смеси О₂–О₃, контролируется ротаметром 7 со встроенным в него натекателем (для регулировки потока). Газ смешивается со смесью у входа в реактор.

Подача паров ТИПТ осуществляется с помощью термостатируемого испарителя 8 и подачи через него потока газа-носителя (аргона). Через внешнюю «рубашку» испарителя подается термостатирующая жидкость (помпой термостата, расположенного внизу установки). Расход газа-носителя контролируется регулятором расхода газа 4. При необходимости продувки магистрали (до осаждения и после его окончания) поток газа-носителя пропускается в обход испарителя 8 с помощью закрытия вентилей 9, 10 и одновременного открытия вентиля 5. Участок газовой магистрали от испарителя с ТИПТ до входа в реактор нагревается до температуры > 50^oС для предотвращения возможного конденсации и существенной адсорбции ТИПТ на холодных участках газовой арматуры. Эта система прогревается за счет ее размещения в термостатируемом боксе.

На выходе реактора отработанная газовая смесь выводится в атмосферу через гидрозатвор 16, предотвращающий попадание частиц внешней среды в реактор.

Рис.2. Схема газораспределительной системы.

Синтез озона осуществляется в специальных реакторах, называемых озонаторами. В озонаторе воздух или чистый кислород подвергается воздействию (УФ излучением, плазмой и др.), обеспечивающему частичную диссоциацию кислорода с последующей реакцией атомарного и молекулярного кислорода, приводящей к образованию молекул озона (O3). Озонатор рассматриваемой установки (рис.3) представляет собой реактор диэлектрического барьерного разряда (ДБР). Он изготовлен из кварцевой трубки 1 (длина 400 мм, внутренний диаметр 8.4 мм), внутри которой коаксиально располагается стальной электрод 2 (винтовой формы, диаметр 6 мм). На внешней поверхности реактора размещен электрод из алюминиевой фольги 3 (является внешним высоковольтным электродом), повторяющий форму поверхности трубки 1. Кварцевые стенки трубки выступают в роли диэлектрического барьера. В межэлектродный зазор 4 (1.2 мм) подается поток кислорода.

Рис.3. Схема озонатора.

Реактор для осаждения изготовлен из кварцевой трубы 1 длиной 330 мм с внутренним диаметром 84 мм. В реакторе размещается подложкодержатель 2 из нержавеющей стали со встроенным резистивным нагревателем. Температуру пьедестала измеряется с помощью термопары хромель-алюмель. Для автоматизации контроля и поддержания температуры пьедестала применяется автоматический измеритель-регулятор. Пары ТИПТ подаются через центральный ввод реактора, а газовая смесь O₃–O₂–Ar по периферии реактора.

Рис. 4. Газораспределительная схема установки.

Для проведения эксперимента на сложной технологической установки обязательно присутствие преподавателя или инженера лаборатории!!!

Последовательность проведения эксперимента описывается следующим алгоритмом.

1. Загрузить подложки в реактор

2. Включить трехфазный автоматический выключатель для подачи электропитания на установку (на стене слева от установки)

3. Открыть баллоны с аргоном и кислородом (баллоны расположены в шкафу, справа от установки). Вентиль баллонов открываются полностью против часовой стрелки, а вентиль редукторов – по часовой до отклонения стрелки на манометре низкого давления на 2-3 атм. избыточные (номера на схеме 3,6,11,13)

4. Для продувки реактора установить расход аргона на ротаметре (номер 7 на схеме) около 2 л/мин.. Продувку продолжать 5 минут, затем уменьшить расход аргона до 300 мл/мин. (для экономии газа)

5. Включить нагрев пьедестала и бокса установки (температуры заданы преподавателем в начальных условиях), а также включить термостат.

6. Установить рабочие расходы газов: на ротаметре аргона 2 л/мин., на РРГ (задается соответствующим напряжением на блоках питания РРГ):

o озон: 100мл/мин (рабочее напряжение 1,63В);

o кислород: 50 мл/мин (0,83В);

o аргон: 220 мл/мин (2,53В).

7. Когда температура в боксе превысит 40º С, а температура пьедестала достигнет заданного значения, подать из испарителя в реактор пары ТИПТ. Для этого открыть вентили 9 и 10 и закрыть № 5 (последовательность соблюдать следующую: закрыть 5 «мимо испарителя», открыть 10 «вход в испаритель», затем 9 «выход из испарителя»).

8. Подать в реактор озон. Для этого включить озонатор (номер тумблера 15), на вольтметре выставляем U = 105 B, что соответствует давлению озона 15 Па. Подачу озона считать началом осаждения.

9. Осаждение проводить до появления пленки голубого цвета (что соответствует ее толщине около 80 нм), при этом контролировать время осаждения.

10. Выключить озонатор.

11. Прекратить подачу ТИПТ (закрыть вентиль 10, затем 9, открыть 5). По прошествии пяти минут выключить печь пьедестала и прогрев бокса. Расход газа-разбавителя снизить до 300 мл/мин.

12. После остывания подложки выключить подачу газов, закрыть газовые баллоны и обесточить установку.

13. Выгрузить образцы из реактора и провести их анализ.

Одним из информативных способов анализа тонкопленочного диоксида титана является ИК Фурье спектроскопия. На рис. 5 показаны спектры образцов (толщиной по 300 нм), полученных при исследовании роли озона на процесс осаждения диоксида титана методом ХОГФ. Показана область волновых чисел, где проявляют себя деформационные колебания октаэдрических структур из атомов Ti и O. Узкая полоса с большим коэффициентом поглощения около 430 см-1 присуща нанокристаллической фазе в форме анатаза. На рисунке 5 пример такой пленки показан для синтеза при Р(О3) = 0 Па. Широкая полоса в области 300-800 см-1 с небольшим коэффициентом поглощения характеризует аморфный TiO2. На рисунке пример аморфной пленки помечен Р(О3) = 0 Па, в ней также заметна незначительная доля нанокристаллической фазы. Кроме того на этот спектр накладывается заметное широкое поглощение от 400 вплоть до 1200 см-1, которое наблюдается у сверхпористых структур диоксида титана (так называемые ксерогели).

Рис. 5. Примеры спектров поглощения пленок, полученных при разных условиях.