Спосіб наноструктурування поверхні скла в повітрі атмосферного тиску

Реферат: Спосіб наноструктурування поверхні скла в повітрі атмосферного тиску включає використання селективного джерела потужного ультрафіолетового випромінювання наносекундної тривалості. Для наноструктурування поверхні скла використовують селективну ультрафіолетову лампу з мідними електродами, в короткому розрядному проміжку якої при живленні від біполярного джерела нананосекундних високовольтних імпульсів генерується потік фотонів із енергією, більшою за 5 еВ, та встановлюють підкладку зі скла в розрядну камеру з повітрям атмосферного тиску біля системи електродів ультрафіолетової лампи. В системі живлення ультрафіолетової лампи використовують імпульсний водневий тиратрон замість газового розрядника, який дозволяє збільшити ресурс роботи і максимальну частоту повторення імпульсів до 1 кГц в плазмохімічному реакторі, що сприяє зменшенню часу наноструктурування поверхні скла. UA 120612 U (12) UA 120612 U UA 120612 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до фізики низькотемпературної плазми й нанотехнологій та може застосовуватись в системах очистки повітря, фотохімії, фотобіології й нанотехнологіях. Відомий спосіб наноструктурування поверхні плівки з SiO 2 товщиною 320 нм пов'язаний з 14 -2 опромінюванням її іонами ксенону високої енергії (до 167 МеВ) і дозою 10 см . В спектрах фотолюмінесценції плівки, що утворилась на поверхні скла, після пасивуючого відпалювання при температурі 500 °C в суміші аргону і водню появився широкий максимум фотолюмінесценції в області 600 нм. Ця фотоемісія ототожнюється з квантово-розмірним ефектом поруватого кремнію та інтерпретується як частковий розпад SiO 2, при якому фотоемісійні наноструктури кремнію формуються в треках іонів ксенону. Основними недоліками такого способу є значна складність експериментальної установки та висока вартість подібних експериментів із використанням дорогого інертного газу - ксенону. Недоліком способу також є необхідність використання високотемпературного відпалу утворених наноструктур протягом однієї години. Найбільш близьким до запропонованого способу є спосіб кристалізації кластерів аморфного кремнію, що містився в плівках SiO x (0.6  х  1.3), осаджених на скляні підкладки. Спосіб пов'язаний із великою енергією квантів лазерного випромінювання (~ 5 еВ). При ефективному поглинанні плівками SiOx випромінювання KrF - лазера на =248 нм з імпульсами тривалістю 25 нс відбувається швидке імпульсне нагрівання і кристалізація аморфних кластерів кремнію. Основним недоліком цього способу одержання наноструктур кремнію в повітрі атмосферного тиску є висока вартість ексиплексного лазера та витратних матеріалів для нього робочих газових сумішей на основі криптону, який є дорогим інертним газом. Такий лазер також вимагає висококваліфікованого обслуговуючого персоналу та може становити небезпеку для обслуговуючого персоналу через використання агресивних робочих середовищ на основі молекул фтору. Задача корисної моделі полягає у вдосконаленні способу покращення умов і здешевлення процесу наноструктурування поверхні скла за допомогою селективного спонтанного випромінювання імпульсно-періодичного джерела з енергією квантів, що переважають 5 еВ. Ультрафіолетова лампа з спектром випромінювання в діапазоні 200-230 нм, яка працює на повітрі атмосферного тиску, вигідно відрізняється від УФ ексиплексних лазерів своєю простотою, відсутністю вакуумної техніки і маловартісним робочим середовищем, яким є повітря атмосферного тиску. Поставлена задача вирішується тим, що запропоновано спосіб наноструктурування поверхні скла в повітрі атмосферного тиску, який включає селективне джерело потужного ультрафіолетового випромінювання наносекундної тривалості, згідно з корисною моделлю для наноструктурування поверхні скла використовують селективну ультрафіолетову лампу з мідними електродами, в короткому розрядному проміжку якої при живленні від біполярного джерела нананосекундних високовольтних імпульсів генерується потік фотонів із енергією, більшою за 5 еВ, та встановлюють підкладку зі скла в розрядну камеру з повітрям атмосферного тиску біля системи електродів ультрафіолетової лампи. У найприйнятливішому прикладі реалізації способу в системі живлення ультрафіолетової лампи використовують імпульсний водневий тиратрон замість газового розрядника, який дозволяє збільшити ресурс роботи і максимальну частоту повторення імпульсів до 1 кГц в плазмохімічному реакторі, що сприяє зменшенню часу наноструктурування поверхні скла. Перевагами даного способу наноструктурування поверхні скла у повітрі атмосферного тиску є відсутність елементів вакуумної техніки, простота генерації потужного селективного ультрафіолетового випромінювання в повітрі атмосферного тиску з використанням металевих електродів із міді, низька вартість плазмохімічного реактора й простота його виготовлення, а також високий ресурс роботи реактора при частотах слідування імпульсів до 1 кГц. Спосіб реалізується таким чином. Для збудження біполярного наносекундного розряду в повітрі атмосферного тиску між кінчиками сферичних мідних електродів застосовувався генератор біполярних наносекундних імпульсів високої напруги з резонансною перезарядкою накопичувального малоіндуктивного конденсатора ємністю 1540 пФ. Тривалість імпульсів напруги складала 50-100 нс, а їх амплітуда досягала ±20-40 кВ. Комутатором в модуляторі служив водневий імпульсний тиратрон ТГИІ1000-25. Імпульси напруги з модулятора підсилювались в чотири рази за допомогою імпульсного кабельного трансформатора. Реєстрація світлин розряду здійснювалась за допомогою цифрового фотоапарату. Спектри випромінювання розряду реєструвались з використанням монохроматора МДР-2 і фотопомножувача «ФЭУ-106». Спектрофотометр попередньо калібрувався за випроміненням 1 UA 120612 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 дейтерієвої і «банд» ламп, що дозволяло в спектральній області 200-650 нм реєструвати відносні інтенсивності спектральних ліній. Схема плазмохімічного реактора наведена на Фіг. 1. Реактор складався з скляної пластини (1), тонкої плівки (2), мідних електродів (3), корпуса реактора (4). Віддаль між електродами складала 1 мм, тому сильнострумовий розряд наносекундної тривалості запалювався при значній перенапрузі розрядного проміжку, коли в ньому формується пучок втікаючих електронів з енергією електронів 20-40 кВ. Під дією цього пучка і супутнього рентгенівського випромінювання розряд в повітрі атмосферного тиску навіть при досить неоднорідному розподілі напруженості електричного поля між електродами з радіусами заокруглення напівсферичних робочих поверхонь (~ 3 мм) був досить однорідним при частотах слідування імпульсів 40-1000 Гц Фіг. 2 (а, б), а - 40 Гц; б - 1000 Гц). В сильному електричному полі між мідними електродами відбуваються мікровибухи нановістрь на поверхні електродів, що сприяло внесенню пари міді в плазму лампи. Плазмохімічний реактор працює наступним чином. При поданні імпульсів високої напруги на мідні електроди розрядного проміжку в повітрі атмосферного тиску запалюється однорідний сильнострумовий розряд наносекундної тривалості. В сильному електричному полі в околі нановістрь, які є завжди на невідполірованих металевих електродах, починається інтенсивна автоелектронна емісія електронів, яка закінчується мікровибухом нановістрь і вводом пари міді в розряд. При великій густині струму і малій густині пари міді значна частина міді перебуває в іонізованому стані. Збудження іонів міді електронами й процеси електрон-іонної рекомбінації приводять до заселення верхніх енергетичних рівнів однозарядних іонів міді, спонтанний розпад яких формує випромінювання лампи в спектральному діапазоні 200-230 нм. В розряді відбувається також збудження і дисоціація молекул кисню, збудженні продукти цих реакцій можуть ефективно взаємодіяти з атомами чи іонами міді й приводити до утворення спочатку молекул, а пізніше кластерів і наноструктур окису і закису міді. Під дією ультрафіолетового випромінювання лампи може відбуватись руйнування поверхні скла та утворення кремнійвмісних наночастинок. На Фіг. 3 приведено осцилограми напруги і струму біполярного сильнострумового розряду наносекундної тривалості в повітрі атмосферного тиску між мідними електродами при частоті слідування імпульсів 80 Гц. Тривалість основної частини імпульсів напруги досягала 100-150 нс. Біполярні імпульси напруги мали амплітуду додатної і від'ємної складових до 30-40 кВ. Струм сильнострумового наносекундного розряду являв собою послідовність імпульсів із максимальною амплітудою додатних і від'ємних складових 120-150 А. Загальна їх тривалість досягала 100-150 нс. Шляхом графічного множення осцилограми напруги на проміжку і струму розряду був розрахований імпульсний енергетичний внесок в розряд. Максимальна електрична імпульсна потужність біполярного розряду досягалась в початковій стадії пробою розрядного проміжку і складала - 4 МВт. Інтегрування за часом електричної імпульсної потужності дозволило визначити електричну енергію, що вносилась в плазму наносекундного розряду за час однієї послідовності імпульсів напруги та струму. Вона складала Е = 105 мДж. Результати дослідження спектрів випромінювання плазми біполярного, сильнострумового наносекундного розряду в повітрі атмосферного тиску між мідними електродами зображені на Фіг. 4. 90 % потужності випромінювання лампи було зосереджено в спектральному діапазоні 200-230 нм. Найбільш інтенсивними в спектрі випромінювання ультрафіолетової лампи були спектральні лінії однозарядних іонів міді. Найбільш імовірним механізмом збудження однозарядних іонів міді в даному розряді, де густина електронів в максимумі імпульсів струму 16 17 може сягати 10 -10 є збудження іонів міді електронами з основного стану в збуджені стани, а також електрон-іонна рекомбінація електронів із двозарядними іонами міді. На Фіг. 5 наведена світлина поверхні тонкої плівки на підкладці з скла, яка сформувалась під дією опромінювання ультрафіолетової лампи і потоку пари міді з поверхні електродів, на протязі 2-3 годин роботи реактора. Світлина одержана з допомого просвічуючого електронного мікроскопа. Для масштабування наноструктур на поверхню плівки наносився гель із стандартних наноструктур золота сферичної форми діаметром 20 нм. В порівнянні розмірів наноструктур золота і наноструктур синтезованих в реакторі випливає, що розміри утворених наноструктур знаходяться в діапазоні 2-20 нм. Опромінювання плівки з наноструктур за допомогою широкосмугової ультрафіолетової лампи при довжині хвилі збудження люмінісценції 330 нм та шириною спектра близько 50 нм, виявило інтенсивну фотолюмінісценцію плівки в спектральному діапазоні 400-700 нм, що характерно для наноструктур кремнію чи оксидів міді. 2 UA 120612 U 5 10 15 Спосіб наноструктурування поверхні скла в повітрі атмосферного тиску за допомогою селективної ультрафіолетової лампи з мідними електродами може застосовуватися для синтезу наноструктур на основі оксиду й закису міді, а також синтезу наноструктур, що можуть утворитись при дії потужного короткохвильового випромінювання на поверхню скла, зокрема, це наноструктури на основі поруватого кремнію або оксидів і нітридів кремнію. Джерела інформації: 1. Черкова С.Г., Качурин Г.А., Кеслер В.Г., Володин В.А., Марин Д.В., Скуратов В.А. Радиационно-стимулированный синтез светоизлучающих Si-наноструктур в стехиометрическом SiO2 под действием тяжелых ионов высокой энергии // Труды VII международной научной конференции «Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах» Томск. - 2010. - С. 51-53. - Аналог. 2. Корчагина Т.Т., Володин В.А., Попов А.А. Кристаллизация кластеров аморфного кремния в пленках SiNx на стекле с применением наносекундных импульсных обработок излучением KrF-лазера // Вестник НГУ. Серия Физика. - 2009. Т. 4, Вып. 2. - С. 47-52. - Прототип. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 1. Спосіб наноструктурування поверхні скла в повітрі атмосферного тиску, що включає використання селективного джерела потужного ультрафіолетового випромінювання наносекундної тривалості, який відрізняється тим, що для наноструктурування поверхні скла використовують селективну ультрафіолетову лампу з мідними електродами, в короткому розрядному проміжку якої при живленні від біполярного джерела нананосекундних високовольтних імпульсів генерується потік фотонів із енергією, більшою за 5 еВ, та встановлюють підкладку зі скла в розрядну камеру з повітрям атмосферного тиску біля системи електродів ультрафіолетової лампи. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що в системі живлення ультрафіолетової лампи використовують імпульсний водневий тиратрон замість газового розрядника, який дозволяє збільшити ресурс роботи і максимальну частоту повторення імпульсів до 1 кГц в плазмохімічному реакторі, що сприяє зменшенню часу наноструктурування поверхні скла. 3 UA 120612 U 4 UA 120612 U 5 UA 120612 U 6 UA 120612 U Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 7