Спосіб одержання високопровідних тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді cu6ps5i як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії

Реферат: Винахід належить до галузі приладобудування. Спосіб одержання тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I вперше використовується спосіб одночасного напилення з двох магнетронів, в одному з яких використовується мішень з суперіонного матеріалу пресованого порошку Cu6PS5I, а в іншому - мішень з чистої міді. Одержаний матеріал має високу електричну провідність, яку можна змінювати в широких межах. UA 114865 C2 (12) UA 114865 C2 UA 114865 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до таких галузей приладобудування як космічна техніка, інтегральна мікроелектроніка, біомедична електроніка, зокрема до пристроїв для виробництва електричної енергії і може знайти застосування в різних промислових виробництвах, які потребують нових та ефективних джерел енергії. Сучасні твердоелектролітичні батареї характеризуються питомою густиною енергії порядку 200-300 Втгод./кг, яка майже у 8 разів більша, ніж у свинцевих батарей. На сьогоднішній день їх виробляють такі відомі фірми як Wilson Greatbatch Ltd, Catalyst Research Corp., Union-Carbide і т.д. [1]. Відоме використання як твердоелектролітичного джерела енергії таких матеріалів як монокристали йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I [2]. Вони характеризуються високим значенням електричної провідності, однак великі розміри унеможливлюють їх використання в сучасних інтегральних схемах та процесорах [3]. Менших розмірів, компактності та мініатюрності можна добитися з використанням тонкоплівкових технологій напилення, якщо як твердоелектролітичне джерело енергії використовується аморфна тонка плівка на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I [4]. Недоліком даного матеріалу, попри його технологічність, хімічну стійкість та високе значення електричної провідності, є неможливість зміни величини електричної провідності. Задача винаходу полягає в розробці такого способу одержання матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії, який при таких же як у прототипа технологічності, хімічній стійкості та невеликих розмірах, мав би високу електричну провідність, яку можна змінювати в широких межах. Поставлена задача вирішується таким чином, що запропоновано спосіб одержання високопровідних тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії, який відрізняється тим, що напилення здійснюють одночасно з двох магнетронів, в одному з яких використовують мішень з суперіонного матеріалу Cu6PS5I (пресований порошок), а в іншому мішень з чистої міді. Перевага над способом-прототипом полягає у тому, що при наявності необхідних для твердоелектролітичного джерела енергії високої електричної провідності, технологічності та хімічної стійкості величину електропровідності тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I змінюють в широких межах. Вимірювання електропровідності проводилося на частоті 1 МГц при температурі 295 К за допомогою стандартної методики та моста змінного струму Е7-12. В отриманих тонких плівках при зростанні вмісту міді в інтервалі від Cu6.31P1.10S4.68I0.91 до Cu9.28P0.50S2.63I0.59 електрична провідність зростає від 0.053 См/м до 0.394 См/м, відповідно. Таким чином, тонкі плівки на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I мають достатньо високу електропровідність, порівняно з електропровідністю кращих мідьвмісних твердих електролітів. Спосіб реалізується таким чином. Для одержання 10 г речовини Cu6PS5I брали 4.5428 г Сu, 2.2920 г S, 0.4428 г Ρ та 3.7228 г СuІ і завантажували у кварцову ампулу довжиною 160 мм та діаметром 20 мм. Ампулу -2 відкачували до залишкового тиску 10 Па і далі проводили синтез у такий спосіб: проводили нагрівання зі швидкістю 100 Κ/год. до температури 450-500 К і витримували при ній протягом 24 годин; зі швидкістю 100 Κ/год. температуру доводили до максимальної - 750-800 Κ і витримували при ній протягом 5-6 діб; проводили охолодження до кімнатної температури з швидкістю 100 Κ/год. Для нанесення на тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I на скляну підкладинку вперше був застосований спосіб одночасного напилення з двох магнетронів (1), в одному з яких використовувалася мішень (2) з суперіонного матеріалу Cu6PS5I (пресований порошок), а в іншому - мішень (3) з чистої міді (креслення). Напилення з мішені з суперіонного матеріалу Cu6PS5I проводилося з використанням високочастотного струму (13.56 МГц). Потужність, підведена до мішені з суперіонного матеріалу Cu 6PS5I, складала 80-90 Вт. В той же час напилення з мідної мішені проводилось на постійному струмі (80 мА). Одночасне напилення суперіонного матеріалу Cu 6PS5I і чистої міді здійснювалося на підкладинки (4), розташовані в двох різних положеннях: 1) посередині між мішенями; 2) зміщене на 30 мм в бік мішені з Cu6PS5I (пунктирна лінія). Відстань між мішенями складала 100 мм, відстань від мішеней до підкладинки у першому положенні - 200 мм, час напилення - 120 с і 180 с, відповідно. Підкладинки знаходилися при кімнатній температурі під плаваючим потенціалом (без додаткового електричного зміщення). Напилення проводилося при кімнатній температурі в -1 атмосфері Аr, повний тиск у камері напилення (5) підтримувався постійним і рівним 8×10 Па. 1 UA 114865 C2 5 10 15 20 25 30 Таким чином, отримані тонкі плівки на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5l з нанесеними електричними контактами являють собою електролітичні комірки, які є основним елементом твердоелектролітичного джерела енергії. Застосування тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I у пристроях для виробництва електричної енергії дозволяє покращити характеристики твердоелектролітичного джерела енергії, оскільки забезпечується їх висока технологічність, хімічна стійкість, мініатюрність та виникає можливість зміни електропровідності в широких межах. Використання йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I у ролі матеріалу тонких плівок для твердоелектролітичних джерел енергії дає можливість застосовувати їх в різних промислових виробництвах, які потребують нових та ефективних джерел енергії. Джерела інформації: 1. Julien С. Technological applications of solid state ionics // Mat. Sci. and Engineering. - 1990. Vol. B6, №1-2. - P. 9-28. 2. Застосування йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I для твердоелектролітичного джерела енергії: пат. 83930 Україна: МПК (2006) Н01М 6/00, Н01М 6/18 / Студеняк І.П., Біланчук В.В., Коперльос Б.М., Панько В.В. - №а200612767; заявл. 04.12.2006; опубл. 26.08.2008, Бюл. №16. 3 с. - Аналог. 3. Despotuli A.L., Andreeva A.V., Rambabu В. Nanoionics of advanced superionic conductors // Ionics. - 2006. - Vol. 11. - P. 306-314. 4. Застосування аморфної плівки на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5l як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії: пат. 99389 Україна: МПК (2012.01) Н01М 6/00, Н01М 6/18 (2006.01) / Студеняк І.П., Чомоляк А.А., Гуранич П.П., Мінець Ю.В. №а201104746; заявл. 18.04.2011; опубл. 10.08.2012, Бюл. №15. - 2 с. - Найближчий аналог. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб одержання високопровідних тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії, який відрізняється тим, що напилення здійснюють одночасно з двох магнетронів, в одному з яких використовують мішень з суперіонного матеріалу пресованого порошку Cu6PS5I, а в іншому мішень з чистої міді. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що величину електропровідності тонких плівок на основі йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I змінюють в широких межах. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2