Основы золь-гель метода Содержание Основы золь-гель метода

Основы золь-гель метода

Содержание Основы золь-гель метода. Терминология n Золь-гель метод формирования пленок для микроэлектроники n Золь-гель метод для нанофотоники n Перспективы применения золь-гель синтеза n

Сущность золь-гель метода 1. Формирование твердотельного материала из коллоидного раствора, т. е. золя 2. Свойства золя определяют свойства конечного продукта (геля, ксерогеля) 1 2 3 1. Гидролиз и ранняя поликонденсация 2. Рост фрактальных элементов 3. Рост решетки геля

n Золь - дисперсия 2 коллоидных частиц размером от 1 до 100 нм в жидкости n Гелеобразование – возникновение в объеме жидкой системы молекулярной сетки или каркаса взаимосвязанных полимерных цепочек микронного размера и субмикронных пор 3

n Аэрозоль- дисперсия коллоидных или твердотельных частиц в газе (воздухе). Ксерогель – гель, подвергнутый удалению жидкости в процессе термообработки в условиях атмосферного давления или близкого к нему. Аэрогель-ксерогель, содержащий диспергированный газ.

n n n Золь- коллоидный раствор, т. е. дисперсная система с коллоидными размерами частиц, распределенных в той или иной среде – расположена между взвесями и молекулярными растворами. Гидрозоли – коллоидные частицы в воде. Коллоид – от греч. “колла” – клей

n Для золей кремнезема из практических наблюдений установлено, что верхняя граница для размера частиц золя не превышает 5 нм. За пределами этой границы происходит процесс гелеобразования, и силиказоль превращается в силикагель.

Гель n gel (from the lat. gelu—freezing, cold, ice or gelatus—frozen, immobile) 2 3

n n Гелеобразование обусловлено возникновением в объеме жидкой системы молекулярной сетки или каркаса взаимосвязанных полимерных цепочек микронного размера и субмикронных пор. Процесс гелеобразования лишает систему текучести и придает ей некоторые свойства твердого тела: прочность, хрупкость и др. Гель представляет, таким образом, промежуточное состояние вещества между твердым и жидким, так называемое жидкообразное твердое состояние Энциклопедия полимеров. – М. : Советская энциклопедия. – 1972. – Т. 1. – 1224 с. Айлер Р. Химия кремнезема: Пер. с англ. – М. : Мир. – 1982. – Т. 1. – 516 с.

Гелеобразование обусловлено возникновением в объеме жидкой системы молекулярной сетки или каркаса взаимосвязанных полимерных цепочек микронного размера и субмикронных пор. Стадии образования решетки геля из фрактальных элементов 1 2 3 1. Гидролиз и ранняя поликонденсация 2. Рост фрактальных элементов 3. Образование решетки геля

Характерные признаки золь-гель синтеза 1. 2. 3. Прекурсор (precursor – предшественник) Поликонденсация структуры за счет увеличения длины кислороднокатионного каркаса Эволюция

Золь ~ 20 - 40 мг/мл

Схематичное изображение компонентов силиказоля, иллюстрирующее их относительные размеры, до перехода в гель. Молярное соотношение в растворе Si(OC 2 H 5)4: C 2 H 5 OH: H 2 O: HCl = 1: 4: 4: 0. 07 J. A. Pope, J. D. Mackenzie. J. Non-Cryst. Solids. , 101 (1988) 198 -212.

Процесс гелеобразования обеспечивается изменениями как на молекулярном, так и на структурном уровне. На молекулярном уровне образование геля из растворов, содержащих алкоксиды металлов, сопровождается реакциями гидролиза и поликонденсации: n М-ОR- + HOH M-OH + R(OH), (1. 1) n M-OH + RO-M M-O-M + R(OH) , (1. 2) где R – алкил (углеводородный радикал CH 3, C 2 H 5 и т. д, n M – катион пленкообразователя, например Si, Zr, Ti. Для силикагелей, например, реакция конденсации может также протекать с выделением воды: n Si-OH + HO-Si Si-O-Si + H 2 O (1. 3) n

Cнимки пленок титаната бария-стронция, сформированных из золей на основе трех прекурсоров Ti(OC 2 H 5)4 Ti(OC 3 H 7)4 750 o. C, семь слоев Ti(OC 4 H 9)4

Гидролиз и поликонденсация силиказоля

Золь-гель процесс ЭТАП 1: ГИДРОЛИЗ И РАННЯЯ ПОЛИКОНДЕНСАЦИЯ ЭТАП 2: РОСТ ФРАКТАЛЬНОЙ ЕДИНИЦЫ 100 Å 10 Å Состав исходного раствора (прекурсор, вода, растворитель, катализатор) Эволюция структуры геля ЭТАП 3: ОБРАЗОВАНИЕ ФРАКТАЛЬНОЙ СЕТКИ 1000 Å Термообработка и уплотнение Пористая или плотная стеклянная керамика, или соединение (пленка, стекловолокно, Реакции Проведение порошок) гидролиза и сушки кристаллизац поликонденса ции ии ЗОЛЬ – высокодисперсная коллоидная система с жидкой дисперсионной средой размером от 1 до 100 нм ГЕЛЬ – промежуточное состояние вещества между твердым и жидким КСЕРОГЕЛЬ – высушенный гель при температуре выше окружающей среды