Нанесення покриття методом занурення (занурення)

Метод занурення застосовується для створення тонких плівок і нанесення покриття. Технічно метод заснований на зануренні підкладки в ємність з матеріалом покриття, після якого матеріал закріплюється на підкладці і далі йому дається можливість стекти. Частина покриття може бути видалена методом сушіння або обігріву.

Етапи занурення (занурення)

Занурення може бути розділене на три основних етапи:

• Підкладку занурюють в розчин при постійній швидкості;
• Витримування підкладки в розчині в нерухомому стані;
• Підкладку виймають з постійною швидкістю. Чим швидше підкладка виймається з розчину, тим товщі буде шар матеріалу на підкладці.

Мінуси і плюси

Метод є досить простим, через що його легко автоматизувати. Товщина плівки контролюється за допомогою в'язкості покриття і швидкості виходу з ємності. Ємності, що застосовуються в даному методі, можуть бути різними за формою і розмірами. Це дозволяє наносити покриття на більші підкладки.
Одним з мінусів є той факт, що в нижній частині пластини товщина плівки може бути більше, ніж у верхній ( «клиновий ефект»). На краях підкладки покриття може стікати нерівномірно, через що на краях покриття буде більш товстим. Так само пари розчинника можуть виносити з собою частинки покриття, через що воно стає нерівномірним.

Метод нанесення покриття зануренням - процес, в якому підкладка занурюється в рідину, після чого витягується при контрольованих умовах навколишнього середовища, що в кінцевому підсумку призводить до нанесення покриття. Товщина покриття визначається швидкістю підйому підкладки, в'язкістю рідини і змістом твердих компонентів. Якщо швидкість підйому підкладки підбирається з урахуванням того, що стан системи буде знаходитися в ньютонівської режимі, то товщина плівки може бути обчислена по рівнянню Ландау-Левича [1].

h - товщина покриття, η - в'язкість

γ LV - поверхневий натяг рідина-пар, ρ - щільність

g - питома вага

У роботах Джеймса і Строубрідж [2] показано, що експериментальні значення товщини кислотно-каталітичного кремнозоля добре корелюють з розрахунковими значеннями. У методі занурення виникає цікавий ефект: вибравши відповідну в'язкість, товщина покриття може змінюватися з високою точністю від 20 нм до 50 мкм при збереженні високої оптичної якості. Схема процесу занурення зображена на малюнку 1.

Малюнок 1. Етапи процесу отримання покриття методом занурення: занурення підкладки в розчин, освіту мокрого шару шляхом видалення підкладки та перетворення шару в гель шляхом випарювання розчинника.

Якщо для покриття обрані реагують системи, наприклад, як у випадку з золь-гель для підлоги для яких використовують алкоголяти або попередньо гидролизованние золі, то необхідно контролювати стан навколишнього середовища. Навколишнє середовище впливає на випаровування розчинника і може дестабілізувати цей процес, що призводить до гелеутворення і формуванню прозорої плівки з-за невеликого розміру часток золів (нм) [3]. Це схематично зображено на малюнку 2.

Малюнок 2. Процес гелеутворення в ході нанесення покриття методом занурення, отриманого шляхом випарювання розчинника та подальшої дестабілізацією золю (Брінкер і ін. [3])

Частинки золю стабілізуються поверхневими зарядами, через що необхідно розглядати умови стабілізації Штерна [4]. Відповідно до теорії Штерна процес гелеутворення можна пояснити наближенням зарядженої частинки на відстань, при якому має місце потенціал відштовхування. Даний потенціал призводить до дуже швидкого гелеобразованию. Цей процес протікає в точці гелеобразования, як показано на малюнку 2. Отриманий гель піддається термічній обробці, причому температура спікання залежить від його складу. Однак через те, що частинки гелю надзвичайно малі, система характеризується наявністю надлишкової енергії, через що в більшості випадків спостерігається зниження температури спікання в порівнянні з системами сипучих матеріалів. Проте, слід враховувати той факт, що лужна дифузія в звичайних стеклах, таких як, наприклад, скла, отримані з гашеного вапна, починається від декількох сотень градусів Цельсія і, як показано, банджо, лужні іони дифундують в шар покриття в ході ущільнення . У більшості випадків це не є вагомим недоліком, так як поліпшується адгезія шару, але при розрахунках оптичних систем необхідно брати до уваги вплив на показник заломлення.

Процес занурення застосовується для стекол Шотта на основі розробок Шредера [5] і Дісліча [6, 7] для систем управління сонячною енергією (Calorex®) і антивідблисків покриттями (Amiran®) на вікнах. Так само процес занурення використовується і для оптичних покриттів, наприклад, в лампочках, для оптичних фільтрів або діелектричних дзеркал, які виготовляються різними компаніями малого та середнього бізнесу, що спеціалізуються на високоточних багатошарових системах.

Список літератури:

• 1. LD Landau, BG Levich, Acta Physiochim, URSS, 17 (1942) 42-54
• 2. I. Strawbridge, PF James, J. Non-Cryst. Solids, 82 (1986) 366 - 372
• 3. CJ Brinker, AJ Hurd, KJ Ward in Ultrastructure Processing of Advanced Ceramics, eds. JD Mackenzie and DR 4Ulrich, Wiley, New York (1988) 223
• 4. O. Stern Z. Elektrochem. (1924) 508
• 5. H. Schröder, Physics of Thin Films, Academic Press, New York - London, vol. 5 (1969) 87 - 141
• 6. H. Dislich, Angew. Chem. Int. Ed. 6 (1971) 363