MODERNIOSIOS MEDŽIAGŲ TECHNOLOGIJOS. (Kodas MOMT3122, VI semestras, 6 kred., 32 val. paskaitų, 16 val. konsultacijų, 48 val. laboratorinių darbų)

Transkriptas

1 MODERNIOSIOS MEDŽIAGŲ TECHNOLOGIJOS (Kodas MOMT3122, VI semestras, 6 kred., 32 val. paskaitų, 16 val. konsultacijų, 48 val. laboratorinių darbų)

2 Dalyko sando aprašas Dalyko sando kodas (Course unit code) Dalyko sando pavadinimas (Course unit title) Dėstytojo (-jų) pedagoginis vardas, vardas ir pavardė (Name and title of lecturer) Katedra, centras Fakultetas, padalinys Dalyko sando lygis (Level of course) Semestras (Semester) ECTS kreditai (ECTS credits) VU kreditai (VU credits) Kodas MOMT3122, MODERNIOSIOS MEDŽIAGŲ TECHNOLOGIJOS Prof. habil..dr. A. F. Orliukas, Prof. habil.. dr. J. V. Vaitkus, Dr. T. Šalkus Radiofizikos ir puslaidininkių fizikos katedros Fizikos fakultetas Pirmosios pakopos Trečias kursas, pavasario, 6. 4

3 Dalyko sando turinys (Course unit content) Medžiagų klasifikacija : a)paprastos (elementarios) ir sudėtingos (elementų junginiai) medžiagos, b)pradinių medžiagų formos(polikristalai, milteliai, skysčiai, dujos), c)medžiagų pavojingumas žmogui ir aplinkai. Amorfinių ir polikristalinių medžiagų gamybos technologijos: a)amorfinių medžiagų gamybos būdai: lydalo greito šaldymo metodas, joninis-plazminis ir terminis nusodinimas ant atšaldytų padėklų, lazerinio lydymo metodas; b) polikristalinių medžiagų sintezė: tiesioginiai procesai(elementų sintezė), netiesioginiai procesai (sintezė iš cheminių junginių). Kristalografijos įvadas. Monokristalų auginimas: a)užuomazgų kristalizacija,b)kristalizacija iš garų fazės,c)kristalų auginimas iš tirpalų (izoterminė ir izohidridinė kristalizacija),d)monokristalų augimas iš lydalo :kristalizacija su dideliu lydalo tūriu (Kiropuloso, Čiochralskio, Stokbargerio-Bridžmeno metodai),kristalizacija su mažu lydalo tūriu (Verneilio metodas, zoninis lydymas).

4 Skystinė epitaksija. Plonųjų sluoksnių gamybos technologijos. Fizikiniai plonųjų sluoksnių gavimo pagrindai. Kristalizacijos varomosios jėgos. Fizikiniai (PVD) ir cheminiai (CVD) ivairių medžiagų plonųjų sluoksnių nusodinimo metodai. Vakuumo ir padėklo vaidmuo plonųjų sluoksnių technologijoje.plonųjų sluoksnių gaminimas šiluminiu išgarinimu, joniniu plazminiu dulkinimu bei lazeriniu garinimu (procesų fizikiniai pagrindai, privalumai ir trūkumai). Bendrieji plonųjų sluoksnių susidarymo dėsningumai. Plonųjų sluoksnių struktūra ir jos ryšis su technologija. Garinės monokristalinių sluoksnių gaminimo technologijos (dujų pernešimo reakcijos uždarame bei atvirame reaktoriuose. Metalo organinių junginių (MOCVD) technologija plonųjų sluoksnių gamyboje Molekulinio pluoštelio epitaksija (MBE) - vienas moderniausių epitaksialinių sluoksnių gamybos metodų.. Daugiasluoksniai dariniai. Plonųjų sluoksnių gamyba in - situ bei ex - situ. Plonieji metaliniai, puslaidininkiniai, dielektriniai bei organinių medžiagų sluoksniai, jų vieta šiuolaikinėse technologijose. Plonųjų sluoksnių konfigūracijos formavimo metodai: užgarinimas per metalines kaukes, piešinio formavimas įvairiais litografijos metodais (fotolitografija, elektrono - bei rentgeno spindulių litografijos).plonasluoksnių nanodarinių reikšmė šiuolaikinei technikai. Keramikų gavybos technologijos. Superjoninių junginių sintezės technologinės sąlygos. Kristalitiniai parametrai ir stechiometrija.nanostrukturizuotos keramikos.keramikų kepinimo laiko įtaka jų elektrinėms savybėms. Keramikų tarpkristalitinių sandurų ir priemaišų įtaka jų elektrinėms savybėms.porėtosios keramikos ir jų gavybos technologijos. Medžiagų storųjų sluoksnių gamybos technologijos. Storųjų sluoksnių nusodinimas ant padėklo vakuumuojant. Storųjų sluoksnių formavimas purškiant. Storųjų sluoksnių ir padėklų fizikinių savybių sąsajos. Fizikinė adsorbcija ir cheminė sorbcija. Cheminės sorbcijos dalelių reakcinė geba. Cheminės sorbcijos ryšių tipai. Adsorbuotos molekulės disocijacija. Elektroniniai perėjimai esant cheminei sorbcijai. Nanosandaros ir jų technologija. 2D, 1D, 0D sandaros: pagrindinės savybės ir perspektyvos. Sandarų gamybos technologija: formavimas, auginimas, saviformavimosi principas.

5 Pagrindinės literatūros sąrašas (Reading list) 1. J.H.Fendler (Ed.) Nanoparticles and nanostructured films. Wiley-VCH, 1998, 468 p. 2. J.Vaitkus (sudarytojas). Medžiagotyros kurso chrestomatija. VU, 1988, 300 p. 3. Encyclopedia of Applied Physics (Ed. G.L.Trigg), V.3, VCH Publishers, Inc., 1992, 616p. 4. Vytautas Grivickas, Antanas Feliksas Orliukas, Aloyzas Žindulis, Sigitas Tamulevičius, Medžiagų mokslas, 2008, Progretus, Vilnius. 5. R. Gregg Bruce, Mileta M. Tomovic, Johan E. Neely, Richard R. Kibbe. Modern Materials and Manufacturing Processes, Upper Saddle River, New Jersey Columbus, Ohio, Klaus Funke, Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension SCIENCE AND TECHNOLOGY OF ADVANCED MATERIALS, 14 (2013) (50pp) doi: / /14/4/

6 Papildomos literatūros sąrašas Mokymo metodai (Teaching methods) Lankomumo reikalavimai (Attendance requirements) Atsiskaitymo reikalavimai (Assessment requirements) Vertinimo būdas (Assessment methods) 1. J.Kundrotas GaAs/GaAlAs technologija. PFI,Vilnius W. M. Moreau Semiconductor Lithography, Principles, Practices, and Materials, Plenum Press-New York- London, 1988, Moskva, A.F.Orliukas, Superjoniniai laidininkai, 2004, VUL. Paskaitos, dėstymas naudojant demonstracijas ir projekcinę techniką. 75% paskaitų. Aprobuota katedros Patvirtinta Studijų programos komiteto Prezentacija, atsiskaitymas už laboratorinius darbus, egzaminas raštu, pasitikslinimas žodžiu. Prezentacija (50%), egzaminas raštu, pasitikslinimas žodžiu (50%) Dalyko aprašą paruošė prof. A.F.Orliukas

7 Laboratoriniai darbai 1.Metalinių sluoksnių gamyba šiluminiu išgarinimu vakuume. Technologijos kontrolė. 2. Metalinių ir dielektrinių sluoksnių gamyba jonoplazminiu metodu. 3. Sluoksnių gamyba, išgarinant medžiagas joniniu spinduliu. 4.Fotojautrių puslaidininkinių sluoksnių gamyba. Parametrų matavimas. 5. Plonųjų sluoksnių storio matavimas mikrointerferometru. 6. Fotolitografija. 7. Molekulinio pluoštelio epitaksija. 8. Porėtųjų darinių technologija. 9. Susipažinimas su AES, ESCA, SIMS, MOCVD bei CVD metodais.

8

9

10

11

12 In 1938, Stefan Brunauer, Hugh Emmett and Edward Teller published an article about the BET theory in a journal for the first time; BET consists of the first initials of their family names. [BET (m 2 /g)].

13

14

15

16

17

18

19

20

21 Electrolysis (electric power Chemical species Secondary (rechargeable) battery-electric power Primary or full cellelectric power Electric signal Chemical state changes light Colorationelectrochromic display (ECD) mass Electric powerphoto cell Electric signal-chemical sensors Electrochemical devices agree T. Kudo, K. Fueki, SSI, 1990

22 Synthesis conditions of the Li 1.5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3 compounds by a solid phase reaction Li 2 CO 3, Al 2 O 3 (purity %) Extra pure: NH 4 H 2 PO 4, GeO 2 The stoichiometric mixture was heated at T=673K during 20 h The mixture was heated at T=773K during 20 h The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled during 10 h The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled in a planetary mill during 10 h The powder was heated at T=1273K during 2 h Milling of the powder in the ethyl alcohol during 50 h Cooling down to room temperature Drying the powder at T=393K during 24 h

23 Synthesis conditions of the Li 1.3 Cr 0.3 Ge 1.7 (PO 4 ) 3 compounds by a solid phase reaction Li 2 CO 3, Cr 2 O 3 (purity %) Extra pure: NH 4 H 2 PO 4, GeO 2 The stoichiometric mixture was heated at T=773K during 20 h The mixture was heated at T=1153K during 3 h The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled during 16 h The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled in a planetary mill during 8 h The powder was heated at T=1273K during 4 h Milling of the powder in the ethyl alcohol during 8 h Cooling down to room temperature Drying the powder at T=393K during 24 h

24 Synthesis conditions of the Li 1+x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (where M=Sc, Al, Fe, Y; x=0.3) compounds by a solid phase reaction Li 2 CO 3 (purity %) Extra pure: NH 4 H 2 PO 4,TiO 2, M 2 O 3 The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled in a planetary mill during 8 h The mixture was placed in the ethyl alcohol and milled during 12 h The stoichiometric mixture was heated at T=773K during 24 h The mixtures with Al, Fe, Y were heated at T=1173K during 1h and mixture with Sc was heated 1h at T=1153K Milling of the each powder in the ethyl alcohol during 10 h Drying the powder at T=393K during 24 h The powders with Al, Fe, Y were heated at T=1273K during 2 h Cooling down to room temperature

25

26 c, Å d,g/cm V, Å a, Å Al Cr Ge r, Å 1200 The relation between lattice parameters a ( ), c( ), V( ), the density d( ) and the ionic radius r of Ge 4+, Al 3+, Cr 3+ for Li 1+x Ge 2-x Al x (Cr x )(PO 4 ) 3 single phase

27 Sintering of Li 1+x Al x (Cr x )Ge 2-x (PO 4 ) 3 (where Al 0.5, Cr 0.3 ) ceramics Uniaxialy pressing of the powder at 300MPa Heating of the pressed samples up to T=673K with the velocity of 5deg/min Heating of the samples up to T=1293K for Cr 0.3 and up to T=1153K for Al 0.5 with the velocity of 5deg/min Annealing of the samples at T=673K during 1 h The sintering of the ceramics at the sintering temperature was conducted in air for 1 h Cooling down to T=300K with the velocity of 5deg/min

28 Sintering of the Li 1+x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (where M=Sc, Al, Fe, Y; x=0.3) ceramics Uniaxialy pressing of the powder at 300MPa Heating of the pressed samples up to T=673K with the velocity of 5deg/min Heating of the samples of the system with Sc up to T=1543K, with Al up to T=1383K, with Fe up to T=1283K, with Y up to T= 1293K with the velocity of 5deg/min Annealing of the samples at T=673K during 1 h The sintering of the ceramics at the sintering temperature was conducted in air for 1 h Cooling down to T=300K with the velocity of 5deg/min

29 ZrO 2-3mol% Y 2 O 3 keramikos nanostruktūra

30 YSZ

31 YSZ, GDC, SDC composition, S BET of the powder theoretical and relative densities of the ceramics. Composition S BET, m 2 /g D theoretical, g/cm 3 d, % Gd 0.2 Ce 0.8 O [3] 95.0 Sm 0.2 Ce 0.8 O [1] 94.0 Sm 0.15 Ce 0.85 O 2 d [5] 94.0 Sm 0.15 Ce 0.85 O Sm 0.15 Ce 0.85 O Gd 0.1 Ce 0.9 O [2] 97.0 Gd 0.1 Ce 0.9 O 2 d mol% ZrO 2 8 mol%y 2 O [4] mol% ZrO 2 8 mol%y 2 O H.B.Li et al.acta Mater.54(2006)721; 2. K.Huang et al.j.amer.ceram.soc.81(1998)357;3.g.chiadeli et al.sol.state Ioncs, 176(2005)1505; 4. H.Liu et al.mat. And Design, 31(2010)2972; 5. C.Jiang et al. Power Sources, 165(2007)134.

32 a) b) SEM images of Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.95 ceramics sintered from powder with S BET = m 2 /g (a) and S BET = 6.44 m 2 /g (b)

33 b T=450K b g T=523K fazė-monoklininė (P 2/n ) g fazė-rombinė (P can ) b fazė -metastabili a) -Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane, b) oxygen window in b phase on the (001) plane, c) g - Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3 Li + ion map on the (010) plane

34 O 5s O 6s Li 1s O 2s O 1s Li 3s O 4s O 6 Li 1+x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 O- Window

35 1340 LiTi 2 (PO 4 ) 3 Li 1.33 Sc 0.3 Y 0.03 Ti 1.67 (PO 4 ) Ti Sc Li 1.3 Sc 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) V, Å d, g /cm r,å 2.90

36

37

38

39

40

41 Ionic conductivity, activation energy of Li + solid electrolytes at temperature T=300K Compou nd b T, S m -1 K E b, ev gb, S m -1 K E gb, ev Li 1.2 Sc Ti 1.8 (PO 4 ) 3 Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.8 (P O 4 ) Li 1.3 Fe 0.3 Ti 1.7 (P O 4 ) Li 1.3 Y 0.3 Ti 1.7 (PO 4)

42 ZrO 2 - xmol Y 2 O 3 cheminės sudėties tyrimo rezultatai Priemaišos ( ) Mol Fe 2 O 3 SiO 2 Al 2 O 3 MgO TiO 2 CaO Cl Y 2 O < < < < < <0.01 < < < <0.01 < <

43

44 C

45

46

47

48 Cheminės sorbcijos dalelių reakcinė geba n-ryšys b) Silpnasis ryšys a) p-ryšys c) Na Na Na O O Stiprusis akceptorinis O 2 ryšys Silpnasis akceptorinis ryšys O O O 2 molekulė O = CO CO 2 molekulė Stiprusis donorinis arba p-ryšys b) O Silpnasis ryšys a) O CO CO Stiprusis akceptorinis arba n-ryšys c) CO O

49

50