ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ СУБЛИМАЦИИ
МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Координаторы: д-р физ.-мат. наук Черепанов А. Н., д-р хим. наук Игуменов И. К.

Исполнители: ИТПМ, ИНХ СО РАН

Проведен синтез летучих b -дикетонатных производных меди, хрома, иридия. Определены их физико-химические (термодинамические параметры процессов сублимации, кристаллографические параметры) и теплофизические (коэффициент диффузии паров b -дикетонатных производных металлов в аргоне и гелии, температуропроводность и теплоемкость твердых монокристаллов) характеристики. Экспериментально исследована кинетика сублимации одно- и многокомпонентных (бинарных) систем. Получены экспериментальные данные по основным параметрам указанных выше летучих веществ (рис. 1, 2), а также установлены критериальные зависимости для коэффициентов тепло- и массообмена на границе фазового перехода.

Рис. 1. Зависимость логарифма давления насыщенного пара от обратной температуры для Cr(acac)3. 1 - метод потока, 2 - метод закалки, 3 - статический метод с мембранным нуль-манометром, 4 - газожидкостная хроматография, 5 - метод Кнудсена. Fig. 1. Logarithm of saturated vapour pressure versus inverted temperature for Cr(acac)3. 1 - method of flow, 2 - method of hardening, 3 - statical method with membrane zero-manometer, 4 - gas-liquid chromatography, 5 - Knudsen method.

Рис. 2. Зависимость логарифма давления насыщенного пара от обратной температуры для Ir(acac)3. 1 - метод Кнудсена, 2 - метод потока, 3 - статический метод с мембранным нуль-манометром, 4 - метод калиброванного объема. Fig. 2. Logarithm of saturated vapour pressure versus inverted temperature for Ir(acac)3. 1 - knudsen method, 2 - method of flow, 3 - statical method with membrane zero-manometer, 4 - method of calibrated volume.

Разработаны теоретические аспекты конвективного тепло- и массопереноса при сублимации одно- и многокомпонентной систем молекулярных кристаллов. Предложены нестационарная одномерная и двумерная математические модели процессов сублимации b -дикетонатных производных металлов в инертном газе-носителе, на основе которых построены численные алгоритмы и компьютерные программы для ЭВМ. Проведены вычислительные эксперименты по анализу массовых и линейных скоростей сублимации летучих комплексов металлов в потоке аргона (рис. 3—5). Получены кривые распределения полей концентрации летучих комплексов металлов при различных технологических параметрах (температуре греющих стенок канала и газа, скорости течения аргона, конструкционных характеристик реактора). Результаты численного расчета сопоставлялись с данными соответствующих экспериментов. Было показано удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных, что указывает на адекватность предложенных математических моделей.

Рис. 3. Расчетные (сплошные линии) и экспериментальные (точки) значения изменения массовой скорости сублимации Cr(acac)3 при различных температурах реактора (объемная скорость газа 2 л/ч). Fig. 3. Mass rate of Cr(acac)3 sublimation versus time at different reactor temperatures (volumetric flow rate is 2 litre/hour). Solid lines - computations, points - experimental values.

Рис. 4. Экспериментальные (сплошные линии) и расчетные (штриховые линии) зависимости массовой скорости сублимации Cr(acac)3 от скорости аргона при различных температурах. Fig. 4. Experimental (solid lines) and computed (dashed lines) dependenses of mass rate of Cr(acac)3 sublimation versus volumetric flow rate of argon at different temperatures.

Рис. 5. Зависимость массовой скорости сублимации (m) от времени для соединений меди и хрома при температуре газового потока 148 С и расходе газа 5 л/ч (сплошные линии) и 10 л/ч (штриховые линии). Fig. 5. Mass rate of sublimation versus time for chrome and copper compounds at gas temperature 148 C and gas consumption 5 litre/hour (solid lines) and 10 litre/hour (dashed lines).

На основе проведенных исследований были сформулированы основные требования к технологическим параметрам проведения CVD-процесса для обеспечения стабильного осаждения покрытий с заданными функциональными свойствами. установлено, что для стабильности процесса тепло- и массообмена и сублимации летучего соединения прямоугольная (щелевая) форма рабочего канала целесообразнее цилиндрической. Газ-носитель должен поступать в рабочую зону канала с температурой, близкой температуре греющих поверхностей канала, температуры верхней и нижней стенок канала должны быть достаточно близкими. При сублимации многокомпонентной системы кристаллов прекурсоры с большей летучестью следует располагать ближе к входу в канал (в более холодной зоне), а геометрические параметры исходных прекурсоров (поверхность сублимации и толщина) должны быть соответствующим образом согласованы для обеспечения заданной стехиометрии.

Предложены рекомендации по разработке “горячих” источников паров с постоянной концентрацией в реакционной зоне, работающих длительное время.

1. Morozova N. B., Semyannikov P. P., Sysoev S. V., Grankin V. M., Igumenov I. K. Saturated vapor pressure of iridium(III) acetylacetonate// J. of Thermal Anal. and Calorimetry, 2001, 60 (20), 489—495.
2. Isakova V. G., Baidina I. A., Morozova N. B., Igumenov I. K. g -Halogenated iridium (III) acetylacetonates// Polyhedron, 2001, 19 (20), 1097—1103.
3. Gelfond N. V., Galkin P. S., Igumenov I. K., Morozova N. B., Fedotova N. E., Zharkova G. I., Shubin Yu. V. MO CVD obtaining composite coating from metal of platinum group on titanium electrodes// J. Phys. IV, 2001, 11, 593—599.
4. Morozova N. B., Zharkova G. I., Semyannikov P. P., Sysoev S. V., Igumenov I. K., Fedotova N. E., Gelfond N. V. Vapor pressure of precursors for CVD on the base of platinum group metals// J. Phys. IV, 2001, 11, 609—616.
5. Fedotova N. E., Gelfond N. V., Igumenov I. K., Mikheev A. N., Morozova N. B., Tuffias R. H. Experiment and modeling of mass-transfer processes of volatile metal beta-diketonates. I. Study of mass-transfer process of tris-(acetylacetonato) chromium(III) at atmospheric pressure// Int. J. Therm. Sci., 2001, 40, 469—477.
6. Бадалян A. М., Белый В. И., Гельфонд Н. В., Игуменов И. К., Косинова М. Л., Морозова Н. Б., Расторгуев А. А., Румянцев Ю. М., Смирнова Т. П., Файнер Н. И., Яковкина Л. В. Химическое строение и структура тонких пленок, полученных химическим осаждением из газовой фазы// Журн. структ. химии, 2002, 43, (4), 605—628.
7. Gelfond N. V., Mikheev A. N., Morozova N. B., Gelfond N. E., Igumenov I. K. Experiment and modeling of mass-transfer processes of volatile metal beta-diketonates. II. Study of mass-transfer process of tris-(acetylacetonato) iridium(III)// International Journal of Thermal Sciencies, 2003 (в печать после рецензии).
8. Черепанов А. Н., Шапеев В. П., Семин Л. Г., Игуменов И. К., Михеев А. Н., Гельфонд Н. В., Морозова Н. Б. Одномерная модель сублимации молекулярных кристаллов// ПМТФ, 2003, 3 (в печати).
9. Черепанов А. Н., Шапеев В. П., Семин Л. Г., Игуменов И. К. и др. Квазиодномерная модель тепломассопереноса при сублимации пластины молекулярного кристалла в потоке аргона// ПМТФ, 2003, 5 (в печати).

Оглавление

Далее