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

Átírás

1 Vákuumtechnika Preparatív vákuum-rendszerek (elővákuum felhasználása) Csonka István Frigyes Dávid 1

2 felhasználása Érintett területek: Desztillálás, bepárlás, szárítás (labor, vegyipar, élelmiszeripar) CVD (Chemical Vapour Deposition) Vacuum-line (inert atmoszférás technikák) 2

3 rendszerek Általában igen egyszerűek: Elővákuum-szivattyú (vízsugár, gőzsugár, folyadékgyűrűs, membrán, forgólapátos, rotary piston, scroll, Roots - ehhez elő-elővákuumszivattyú) Csövezés, szelepek, egyebek Alkalmasint csapda Netán elővákuumérő (kapacitás, piezo, Pirani, termopár, McLeod) Esetleg vákuumszabályzó (eddig lehet egy előkészített, akár mozgatható állomás is) Munkakamra/csatlakozó berendezés 3

4 Desztillálás, bepárlás, szárítás Kíméletesebb és kevesebb energia kell hozzá (kb. 1/3), mint termikusan végezve vákuumdesztillálás, vákuumszárítás, szublimáció, liofilizálás (fagyott oldószer szublimációja) Laborban: vízsugárszivattyú, membránszivattyú, csapdázott forgólapátos szivattyú (kicsit szereti a vizet meg a szerves oldószereket), scroll-szivattyú Iparban: 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 4

5 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... 5

6 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. 6

7 CVD (Chemical Vapour Deposition) Kémiai út: a bevonatot helyben állítjuk elő kémiai reakcióval :-) 7

8 CVD (Chemical Vapour Deposition) Előnyök: lehetséges bevonatok széles választéka (fémek, kerámiák) Jól tapadó bevonatok Minden irányból bevon, sőt felület kiegyenlítő (lukakat kitölti) Hátrányok: Reaktív reagensek (fémhalogenidek, fémorganikus anyagok) Jobban megviseli a szubsztrátot, mint a PVD (meleg, reakciók, plazma) Jobban megviseli a szivattyúkat is (csapdázás, kémiailag kompatíbilis szivattyúk) 8

9 CVD (Chemical Vapour Deposition) Néhány példa: TiCl 4 + N 2 + H C > TiN SiH 4 + N 2 H 4 + H C > Si 3 N 4 TiCl 4 + SiCl 4 + CCl 4 + H C > Ti-Si-C (többféle fázis) Zr/Hf(BH 4 ) C > Zr/Hf-borid Zr/Hf(BH 4 ) 2 Cp C > Zr/Hf-karbid Cr(Ar) C > Cr 7 C 3 (Ar=PhEt 1-4 ) 9

10 CVD (Chemical Vapour Deposition) Variációk: Atmoszférikus (APCVD; viszkózus áramlás) Alacsony nyomású (LPCVD; molekuláris áramlás) Melegfalú kemence. Pl. csőkemence. Az egészet melegítjük, így a kemence falára is leválik a bevonat 10

11 CVD (Chemical Vapour Deposition) Hidegfalú kemence. A szubsztrátot melegítjük. Kontakt, induktív. 11

12 CVD (Chemical Vapour Deposition) Plazma CVD (PACVD, PECVD). A kémiai reakciót hidegplazmával (elektronok és ionok hőmérséklete különböző) segítjük Foto-CVD (PCVD). A prekurzorokat közvetlenül vagy Hg-n keresztül (Hg-lámpa) gerjesztjük. Lézer-CVD (LACVD). Szubsztrát lézersugárral melegítve. Fémorganikus 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. 12

13 CVD (Chemical Vapour Deposition) Kész réteg vizsgálata: szemügyrevétel, scotch tape teszt tapadásra, (mikro)keménység, másodlagos-ion MS, XPS, Auger, és még amit csak el lehet képzelni 13

14 CVD (Chemical Vapour Deposition) Távoli rokon: fém-atom reaktor. Tiszta fémet nagyvákuumban felgőzölögtetünk a reaktor falára, aztán hozzáeresztjük a ligandumot Pd + RX + 2 PR 3 PdR(X)(PR 3 ) 2 Ni + C 6 F 5 Br + C 6 H 5 Me NiBr 2 + (C 6 F 5 )Ni(η-C 6 H 5 Me) Cr + 2 C 6 H 6 Cr(C 6 H 6 ) 2 14

15 Vacuum-line (inert atmoszféra) Cél: inert körülmények teremtése érzékeny anyagokhoz. Alapvetően oxigéntől és víztől akarunk megszabadulni, de ízlés szerint. Vákuum és inert gáz alkalmazása: egyik csövön vákuum, másik csövön inert gáz, kétállású csapokkal lehet váltani Fokozás: gáz és folyadék tároló edények, gázbüretta Töpler-pumpával gázok kiméréséhez (pv=nrt elég pontos a legtöbb esetben) 15

16 Vacuum-line (inert atmoszféra) 16

17 Vacuum-line 17

18 Vacuum-line 18

19 Vacuum-line (inert atmoszféra) Vákuum: alapesetben csapdázott forgólapátos vagy membránszivattyú Lehet fokozni diffúziós szivattyúval (fém atom reaktor, szublimálás) Mérése: Toricelli, Pirani, termopár vagy McLeod Csövezés: lehet szilikon (vízet átereszti) és Tygon-csövekkel. Szükség esetén (gömb)csiszolatos vagy O-gyűrűs csatlakozás, sőt üvegcső föllehegesztés Csapda: 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) 19

20 Vacuum-line (inert atmoszféra) 20

21 Vacuum-line (inert atmoszféra) Inert gáz: legtöbbször N 2 (Ar kifagyhat a folyékony N 2 csapdában) Megteszi a 4.6-os minőség, amúgy is érdemes tisztítani (pl. szilikoncsövek és a reduktor szilikonmembránja miatt) Oxigén-mentesítés: praktikusan BTS-katalizátor (BASF). Hordozós Cu, ami CuO-vá oxidálódva köt meg oxigént. Gázáramlás: alulról fölfelé, hogy a víz inkább ott maradjon. Regenerálás: H 2 -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. Víz-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 PH 3 -at ereget. 21

22 Vacuum-line (inert atmoszféra) Eszközök abszolutizálása: (levákuumozás, kimelegítés hőpuskával, lehűlés, inert gázzal feltöltés)*3 Bonyolultabb eszközöknél szárítószekrényben kimelegítés, inert gáz áramban lehűtés Levákuumozva a falra tapadt gázokat le lehet rázatni ultrahangos mosóval Oldószerek abszolutizálása: egyszerű esetben inert gáz átbuborékoltatása, ultrahangos rázatás. Bonyolultabb esetben: irodalmi recept alapján :-) 22

23 Vacuum-line (inert atmoszféra) Rokonok: glove bag, glove box, dry box. A biológusoknak szánt kémiai célra nem alkalmas. Ne próbálkozzunk vacakkal, mert úgy se lehet jóvá tenni. Box-okban az inert gázt állandóan keringetni (diffúzió kesztyűn, ablakon, tömítéseken és mindenen át. Inertség tesztje: megmarad-e az anyag :-) TiCl 4 füstölése víz kimutatására (10ppm), búrátlanított izzólámpa égéshossza oxigén ellenőrzésére Glove bag házilag is gyártható módosított háztartási fólia hegesztővel, PE zsákből és kesztyűből 23

24 Elővákuum Vacuum-line (inert atmoszféra) 24

25 Vacuum-line (inert atmoszféra) Oxigén-mentesítő gyártás: Mnoxalát és Vermiculite rétegezve, levákuumozva melegítve 330 fokon 6 órán át. Zöld MnO, ami barnásfekete Mn 3 O 4 -é oxidálódik. Regenerálás H 2 - áramban, 370 fokon, 1 órán át. 25