В данной статье рассмотрены и проанализированы семейства спектров растворов золей, полученных методом ИК — спектроскопии. Данный метод позволяет получать серии спектров изучаемого вещества, благодаря чему возможно спрогнозировать дальнейшее течение реакции, а также контролировать процесс гелеобразования, поскольку последний очень зависит от климатических условий, концентрации и активности вводимых веществ. В качестве установки для получения спектров используется инфракрасный спектрограф ФСМ 1201, обладающий высокой скоростью работы, низким энергопотреблением и относительно компактными размерами.
Рис. 1. Семейство спектров раствора золя на основе олова
На рисунке 1 изображено семейство спектров раствора золя на основе олова [1]. Раствор получен золь-гель методом. Кривая 1 соответствует двум секундам после введения соляной кислоты для изменения кислотности раствора. Кривая 2 — минуте после введения. Кривые 3–10 соответственно равны двум, трем, пяти, десяти, двадцати, тридцати и шестидесяти минутам после введения. Пик поглощения вблизи 3300 см-1 обусловлен колебания O-H связей, что означает присутствие в растворе воды. Группа пиков вблизи 3000 см-1 обозначает присутствие органических соединений, в точности спиртов. Пик 1640 см-1 соответствует валентным колебаниям C=C. Поглощения в интервале 1300–1500 см-1 обусловлены колебаниями ациклитических ацетилацетонатов C(O)-CH3. Колебания вблизи 1000 см-1 вызваны колебаниями водорода вблизи C=C. Пик 870 см-1 обозначает в растворе нахождение атомов кремния и их колебания, что обусловлено присутствием в растворе ТЭОСа. Пик вблизи 810 см-1 соответствует валентным продольным колебаниям O2-Si-OH. Пик 670 см-1 отвечает продольным валентным колебаниям мостикового кислорода в Sn-O-Sn [2]. Данные выводы аналогичны для семейства спектров раствора золя на основе цинка (рисунок 2) и семейства спектров раствора золя на основе индия (рисунок 3).
Рис. 2. Семейство спектров раствора золя на основе цинка
Рис. 3. Семейство спектров раствора золя на основе индия
Каждый спектр семейства отвечает своей чувствительности, которой будет обладать пленка после отжига. Это означает, что, если каждый раз необходимо получать пленки с одинаковыми свойствами, соответствующими, например, кривой 1 (рисунок 1), то каждый последующий раствор необходимо отправлять на отжиг именно в тот момент, когда его спектр будет совпадать с эталонным.
Сравнение с эталонным спектром также применяется в случае, когда есть сомнения в концентрации вводимых веществ. На рисунке 4 изображено сравнение эталонной кривой золя на основе олова, кривой золя на основе олова при избытке бутанола и кривой золя на основе олова при избытке ТЭОСа.
Рис. 4. Поведение спектров раствора золя на основе цинка в зависимости от концентрации бутанола и ТЭОСа
Данная группа спектров на рисунке 4 демонстрирует различия в пропускании в зависимости от концентраций вводимых веществ. Кривая номер 3 (точки) имеет дополнительные пики поглощения в интервале 830–850 см-1, отвечающие за увеличенное содержание атомов кремния. Также появился явный пик поглощения 1170 см-1, обозначающий колебания валентных соединений Si-O-Si. Кривая 2 (пунктир) отвечает случаю избытка бутанола. Пик поглощения 1200 см-1 обусловлен колебаниями C-O связей. Однако, процесс гелеобразования не нарушается, изменится лишь время его протекания. Если в раствор ввести избыток соляной кислоты, то это мгновенно отразится на спектре раствора. На рисунке 5 изображено сравнение эталонного спектра раствора золя на основе олова и спектра раствора золя на основе олова с избытком соляной кислоты. Из рисунка видно, что сразу после введения пропускная способность снизилась. Плюс добавился спектр поглощения в интервале 1600–1700 см-1, отвечающий валентным симметричным колебаниям C-C [3].
Рис. 5. Поведение спектров раствора золя на основе олова в зависимости от концентрации соляной кислоты
Также в раствор золя на основе неорганических материалов добавляют воду, чтобы придать конечным пленкам необходимые свойства. На рисунке 6 изображены спектры раствора золя на основе цинка в зависимости от количества добавленной воды. Сравнение производится с эталонным спектром воды.
Рис. 6. Поведение спектров раствора золя на основе цинка в зависимости от концентрации воды
Литература:
1. Аверин И. А., Мошников В. А., Пронин И. А. Влияние типа и концентрации собственных дефектов на структуру и свойства диоксида олова // Нано- и микросистемная техника. 2013. — № 1. — С. 27–29;
2. Аверин И. А., Карманов А. А., Мошников В. А., Печерская Р. М., Пронин И. А. Особенности синтеза и исследования нанокомпозитных плёнок, полученных методом золь-гель-технологии // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физико-математические науки. — 2012. — № 2. — С. 155–163;
3. Аверин И. А., Карпова С. С., Мошников В. А., Никулин А. С., Печерская Р. М., Пронин И. А. Управляемый синтез тонких стекловидных пленок // Нано- и микросистемная техника. — 2011.– № 1. — С.23–25.
