Vákuumtechnika Preparatív vákuum-rendszerek (elővákuum felhasználása) Csonka István Frigyes Dávid

Vákuumtechnika Preparatív vákuum-rendszerek (elővákuum felhasználása) Csonka István Frigyes Dávid

Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

1

Elővákuum felhasználása Érintett területek: zDesztillálás, zCVD

bepárlás, szárítás (labor, vegyipar, élelmiszeripar)

(Chemical Vapour Deposition)

zVacuum-line

(inert atmoszférás technikák)


2

Elővákuum rendszerek Általában igen egyszerűek: zElővákuum-szivattyú

(vízsugár, gőzsugár, folyadékgyűrűs, membrán, forgólapátos, rotary piston, scroll, Roots - ehhez elő-elővákuumszivattyú) zCsövezés,

szelepek, egyebek

zAlkalmasint zNetán

elővákuumérő (kapacitás, piezo, Pirani, termopár, McLeod)

zEsetleg z(eddig

csapda

vákuumszabályzó

lehet egy előkészített, akár mozgatható állomás is)

zMunkakamra/csatlakozó

berendezés Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

3

Elővákuum Desztillálás, bepárlás, szárítás zKíméletesebb

és kevesebb energia kell hozzá (kb. 1/3), mint termikusan

végezve zvákuumdesztillálás,

vákuumszárítás, szublimáció, liofilizálás (fagyott oldószer szublimációja) zLaborban:

vízsugárszivattyú, membránszivattyú, csapdázott forgólapátos szivattyú (kicsit szereti a vizet meg a szerves oldószereket), scroll-szivattyú zIparban:

mint fönt, plussz vízgyűrűs, gőzsugár, rotary piston és Roots szivattyúk; neszKV, szárított gyümölcs-zöldség, tejpor, papíripar, cukorgyártás, faszárítás, vákuumolvasztás, -öntés és még ezer egyéb elképzelhető/hetetlen hely Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

4

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Összehasonlításképpen: PVD (Physical Vapour Deposition) megy nagyvákuumban határán (10-6 mbar). Volfram fűtőszálba becsavarva a párologtatandó, oszt hajrá. Hátrány: nem mindig tapad jól, korlátozott a lehetséges bevonatok anyaga (elsősorban fémek, Al, Cu, Ag, Au, Ge, Ti, sőt NiCr ellenállás anyag is), és csak „rálátásban” von be. Végülis a Ti-szublimációs pumpa is így működik... Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

5

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Összehasonlításképpen: ion sputtering. A nemvezető anyagot ionbombázással juttatjuk a hordozóra. Pl. Arplazma. Ez már inkább az elővákuum-tartomány (glimm-kisülés), de nagyvákuum-rendszer kell hozzá. Hátrány: korlátozott anyagválaszték. Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

6

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Kémiai út: a bevonatot helyben állítjuk elő kémiai reakcióval :-)


7

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Előnyök: z

lehetséges bevonatok széles választéka (fémek, kerámiák)

zJól

tapadó bevonatok

zMinden

irányból bevon, sőt felület kiegyenlítő (lukakat kitölti)

Hátrányok: zReaktív zJobban

reagensek (fémhalogenidek, fémorganikus anyagok)

megviseli a szubsztrátot, mint a PVD (meleg, reakciók, plazma)

zJobban

megviseli a szivattyúkat is (csapdázás, kémiailag kompatíbilis szivattyúk) Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

8

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) zNéhány

példa:

TiCl4 + N2 + H2

950-1200°C>

TiN

SiH4 + N2H4 + H2

550-1150°C>

Si3N4

TiCl4 + SiCl4 + CCl4 + H2

1000°C>

Zr/Hf(BH4)4

400°C>

Zr/Hf-borid

Zr/Hf(BH4)2Cp2

400°C>

Zr/Hf-karbid

Cr(Ar)2

400°C>

Cr7C3 (Ar=PhEt1-4)

Ti-Si-C (többféle fázis)


9

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Variációk: zAtmoszférikus zAlacsony

(APCVD; viszkózus áramlás)

nyomású (LPCVD; molekuláris áramlás)

zMelegfalú

kemence. Pl. csőkemence. Az egészet melegítjük, így a kemence falára is leválik a bevonat


10

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) zHidegfalú

kemence. A szubsztrátot melegítjük. Kontakt, induktív.


11

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) zPlazma

CVD (PACVD, PECVD). A kémiai reakciót hidegplazmával (elektronok és ionok hőmérséklete különböző) segítjük zFoto-CVD

(PCVD). A prekurzorokat közvetlenül vagy Hg-n keresztül (Hg-lámpa) gerjesztjük. zLézer-CVD

(LACVD). Szubsztrát lézersugárral melegítve.

zFémorganikus

CVD :-) (MOCVD). A klasszikus CVD-hez képest a szükséges hőmérsékletet fémorganikus prekurzor segítségével csökkentjük. Mikroelektronikával is kompatíbilis. További előnyök: prekurzor megválasztásával befolyásolható a bevonat összetétele; halogén-mentes bevonat választható le. Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

12

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Kész réteg vizsgálata: zszemügyrevétel, z„scotch

tape” teszt tapadásra,

z(mikro)keménység, zmásodlagos-ion

MS,

zXPS, zAuger, zés

még amit csak el lehet képzelni Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

13

Elővákuum CVD (Chemical Vapour Deposition) Távoli rokon: fém-atom reaktor. Tiszta fémet nagyvákuumban felgőzölögtetünk a reaktor falára, aztán hozzáeresztjük a ligandumot Pd + RX + 2 PR3

→

PdR(X)(PR3)2

Ni + C6F5Br + C6H5Me

→

NiBr2 + (C6F5)Ni(η-C6H5Me)

Cr + 2 C6H6

→

Cr(C6H6)2


14

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zCél:

inert körülmények teremtése érzékeny anyagokhoz. Alapvetően oxigéntől és víztől akarunk megszabadulni, de ízlés szerint. zVákuum

és inert gáz alkalmazása: egyik csövön vákuum, másik csövön inert gáz, kétállású csapokkal lehet váltani zFokozás:

gáz és folyadék tároló edények, gázbüretta Töpler-pumpával gázok kiméréséhez (pV=nRT elég pontos a legtöbb esetben)


15

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra)


16

Elővákuum Vacuum-line


17

Elővákuum Vacuum-line


18

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zVákuum: zLehet

alapesetben csapdázott forgólapátos vagy membránszivattyú

fokozni diffúziós szivattyúval (fém atom reaktor, szublimálás)

zMérése:

Toricelli, Pirani, termopár vagy McLeod

zCsövezés:

lehet szilikon (vízet átereszti) és Tygon-csövekkel. Szükség esetén (gömb)csiszolatos vagy O-gyűrűs csatlakozás, sőt üvegcső föllehegesztés zCsapda:

középső cső a szivattyú felé, anyagáram a line-ról egyenesen a külső, hűtött falra, hogy nehezebben fagyjon be. Veszélyesebb anyagokhoz esetleg U-csöves csapda (könnyebben eltömődhet) Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

19



20

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zInert

gáz: legtöbbször N2 (Ar kifagyhat a folyékony N2 csapdában)

zMegteszi

a 4.6-os minőség, amúgy is érdemes szilikoncsövek és a reduktor szilikonmembránja miatt)

tisztítani

(pl.

zOxigén-mentesítés:

praktikusan BTS-katalizátor (BASF). Hordozós Cu, ami CuO-vá oxidálódva köt meg oxigént. Gázáramlás: alulról fölfelé, hogy a víz inkább ott maradjon. Regenerálás: H2-áram fölülről lefelé, hogy a víz kicsöpögjön (több deci lehet), max. 200 fok, hogy ne süljön össze a katalizátor. Kimerülése látszik a fekete→zöld színváltáson. zVíz-mentesítés:

szilikagél, molekulaszita, foszforpentoxid hordozón (üveggyapot, Raschig-gyűrű). A szilikagél szokásos kobaltos kimerülésjelzője itt nem elég érzékeny. Inkább a foszforpentoxid elfolyósodását figyelni (és meggátolni, hogy a line-ba jusson). Magnézium perklorát nem! Robbanhat. Foszforpentoxid PH3-at ereget. Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

21

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zEszközök

abszolutizálása: (levákuumozás, kimelegítés hőpuskával, lehűlés, inert gázzal feltöltés)*3 zBonyolultabb

eszközöknél szárítószekrényben kimelegítés, inert gáz

áramban lehűtés zLevákuumozva

a falra tapadt gázokat le lehet rázatni ultrahangos

mosóval zOldószerek

abszolutizálása: egyszerű esetben inert gáz átbuborékoltatása, ultrahangos rázatás. Bonyolultabb esetben: irodalmi recept alapján :-)


22

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zRokonok:

glove bag, glove box, dry box. A biológusoknak szánt kémiai célra nem alkalmas. Ne próbálkozzunk vacakkal, mert úgy se lehet jóvá tenni.

zBox-okban

az inert gázt állandóan keringetni (diffúzió kesztyűn, ablakon, tömítéseken és mindenen át. Inertség tesztje: megmarad-e az anyag :-) TiCl4 füstölése víz kimutatására (10ppm), búrátlanított izzólámpa égéshossza oxigén ellenőrzésére

zGlove

bag házilag is gyártható módosított háztartási fólia hegesztővel, PE zsákből és kesztyűből Csonka István, Frigyes Dávid, ELTE © 2004-2009

23



24

Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) zOxigén-mentesítő

gyártás: Mnoxalát és Vermiculite rétegezve, levákuumozva melegítve 330 fokon 6 órán át. Zöld MnO, ami barnásfekete Mn3O4-é oxidálódik. Regenerálás H2áramban, 370 fokon, 1 órán át.


25

Vákuumtechnika Preparatív vákuum-rendszerek (elővákuum felhasználása) Csonka István Frigyes Dávid

Recommend Documents