Получение пространственно упорядоченных пироуглеродных структур водородным восстановлением тетрахлорида углерода

Для определения условий проведения процесса необходимых для достижения заданной скорости осаждения и получения требуемой структуры покрытия проведен физико-химический анализ системы С—Cl—H, включающий термо- и газодинамический расчеты [2]. Термодинамические расчеты проводили для диапазона температур 1000—1700 К и мольных соотношений СС14 : Н2 = 1 : (4—90) при нормальном давлении. В ходе расчетов определяли состав газовой фазы и термодинамический выход углерода в конденсированную фазу, а также границы термодинамической вероятности существования области твердого углерода. Установлено, что конденсированный углерод является термодинамически стабильной фазой при температурах выше 1600 К, а в области более низких температур стабильны только промежуточные углеводородные соединения. Основными компонентами газовой фазы являются водород, метан, хлористый водород, а также углеводороды — этилен, этан, ацетилен.

Реакция восстановления тетрахлорида углерода, вероятно, протекает ступенчато с последовательным замещением атомов хлора водородом, о чем свидетельствует наличие в составе равновесной смеси СН3С1 во всем диапазоне температур и образование молекул и радикалов типа С„НтС1/ в высокотемпературной области.

Зависимость величины термодинамического выхода углерода в конденсированную фазу для всех вариантов мольных соотношений имеет вид ^-образных кривых с выходом на насыщение в интервале температур 1400—1500 К. При этом для смесей с соотношением компонентов менее 1:50 это насыщение выражено более резко.

На основании термодинамических расчетов определены граничные значения параметров процесса осаждения пироуглеродных структур: температура 1523—1573 К и мольное соотношение СС14 : Н2 = 1 : (4-50).

Проведен расчет режима тепло- и массообмена в вертикальном проточном реакторе. Полученное при расчетах значение Gr/Re1 равное 1,25, свидетельствует о том, что процесс идет в режиме смешанной конвекции с преобладанием вынужденной конвекции. Проведено моделирование радиального распределения температуры в реакторе в пограничном слое вблизи нагретой подложки для ламинарного и турбулентного пограничного слоя. Несмотря на низкое значение критерия Рейнольдса (Re = 109), экспериментальный профиль температуры близок к турбулентному [3].

На основании проведенных расчетов создана оригинальная установка химического осаждения пироуглеродных структур из газовой фазы состава Н2—СС14, предусматривающая два типа реакторов, в которых реализованы теоретические предпосылки создания градиента температуры вблизи подложки и условий, препятствующих протеканию реакции в объеме. Основное отличие реактора II типа от реактора I типа — возможность нагрева подложек как прямым пропусканием тока, так и токами высокой частоты.

Проведено исследование влияния природы и концентрации исходных реагентов, температуры подложки и давления в системе, свойств поверхности осаждения, геометрии реактора, степени предварительного нагрева ПГС и характера гомогенных реакций на процесс осаждения пироуглеродных структур. Авторами найдены конструкционные и технологические решения, обеспечивающие получение равноосновной микрокристаллической структуры покрытия, равномерность осаждения по осевой и радиальной координатам подложки.

Определены кинетические зависимости скорости осаждения пироуглеродных структур от температуры в диапазоне 1400—1700 К при нормальном давлении и скорости подачи ПГС 240 м3/ч для различных соотношений компонентов ПГС. Линейный характер зависимости логарифма скорости осаждения от обратной температуры при относительно низких ее значениях (ниже 1600 К) позволил отнести этот интервал к кинетической области, где скорость процесса определяется скоростью химической реакции. Величина кажущейся энергии активации (220 кДж/моль) характерна для кинетического режима гетерогенных реакций в процессах химического газофазного осаждения [4]. В высокотемпературной области (1600—1700 К) наблюдается обратный характер зависимости: падение скорости роста с увеличением температуры, что не является характерным для области массопереноса, где скорость процесса лимитируется скоростью диффузии компонентов в газовой фазе, а связано вероятно с гомогенной реакцией образования углерода.

Перейти на страницу:
1 2 3 4 5

Двуствочатые моллюски
Двуствочатые моллюски ...

Подробности голубиной жизни
Люди издавна занимались разведением голубей и вывели великое множество пород. Эти прекрасные пернатые выглядят, летают и служат человеку по-разному. Для голубей характерна семейная привязан ...

Изучение механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики
Изучение механизма изомеризационной рециклизации методом молекулярной механики В последние годы круг соединений, способных к рециклизации, расширился за счет производных пиридиниевых сол ...