Диссертация (1143641), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Авторы рассчиталинеобходимую форму внутреннего объема микрореактора. Главным новшеством является то, чтопоперечное сечение микрореактора должно иметь сложную форму. Указанные измененияпозволили получить пленку толщиной 21.54 ± 2.64 нм. При этом равномерность распределениятолщины осаждаемой пленки в микрореакторе была улучшена в 5 раз, по сравнению среакторами с обычной геометрией. Данная работа показывает, что исследование распределениявремени пребывания в микрореакторе является важным аспектом, который необходимопринимать во внимание еще на этапе проектирования. Управлением этим параметром являетсямощным инструментом оптимизации микрореакторов.В работе [85] исследовался процесс осаждения сульфида цинка из растворов вмикрореакторе.
На рисунке 1.24 показана фотография микрореактора выполненного изнержавеющейстали,схемапотоковифотографияосажденнойпленки.Размерысформированной в микрореакторе полости составляли 19.2х40 мм, при глубине 1 мм. Особаяформа входа в микрореактор включала в себя 16 каналов и была рассчитана специально дляполучения однородного распределения времени осаждения по ширине.
В качестве подложкидля осаждения применялось стекло, которое нагревалось до 70 ºС. В качестве реагентовиспользовался 0.15М раствор сульфата цинка, 4M раствор аммиака и 0.60M раствортиомочевины (TU) или 0.0015M раствор тиоацетамида (TAA). Общее время процессаосаждения составляло 3 часа.
На рисунке 1.25 показаны СЭМ изображения структурыосаждаемых слоев сульфида цинка в различных точках микрореактора.34(а)(б)Рисунок 1.24 – Система для осаждения пленок ZnS [85]: (а) фотография микрореактора;(б) схема слоев и фотография полученной пленки ZnSРисунок 1.25 – СЭМ изображение осажденных слоев сульфида цинка при различных исходныхреагентах и на разном расстоянии от входа в микрореактор [85]Показанные результаты, данные о химическом составе осаждаемых пленок и ихсвойствах, говорят о наличии в микрореакторе зон с существенно различными условиямиосаждения.
Технология микрореакторов дает возможность изучения процессов осаждения,обеспечивая доказательные рассуждения о характере зародышеобразования и роста тонкихпленок сульфида цинка. Метод позволяет находить оптимальные условия для осаждения.Подводя итог рассмотрению жидкофазных микрореакторов для проведения процессовосаждения и травления можно говорить, что технологические подходы для локальногоосаждения наночастиц и тонких пленок на подложку существуют, но в ограниченномколичестве. В микрореакторах путем оптимизации геометрии можно добиться равномерностиосаждения.
С другой стороны неравномерность осаждения может быть плюсом, позволяяреализовывать в одном эксперименте целый набор условий. Локальный анализ свойств35полученногоматериалапозволяетпровестибыструюоптимизациютехнологическихпараметров и получить информацию о физико-химических закономерностях самого процесса.1.6. Выводы по литературному обзору и постановка задач исследованияПроведенный литературный обзор позволяет сделать следующие выводы:1) Технология химических микрореакторов сегодня развивается чрезвычайно высокимитемпами, поэтому научные работы, посвященные теоретическому и экспериментальномуисследованию микрореакторов и направленные на развитие этой области и расширение сферыприменения, являются актуальными и востребованными;2) Микрореакторы рассматриваются как эффективные методы производства известных иновых веществ, позволяя улучшить качество продукта и технологию его производства;3) Микрореакторы рассматриваются как мощный исследовательский инструмент,способный изменить представление о способах проведения экспериментальной работы.
Онидают возможность проведения большого количества опытов и позволяют использовать новыеметодики измерений для изучения физико-химических закономерностей процессов;4) Для расчетов и оптимизации микрореакторов широко используются современныетехнологии численного и компьютерного моделирования.
Важным параметром, которыйисследуется в микрореакторах, является распределение времени пребывания. Сегодняотсутствуют общие теоретические методики расчетов микрореакторов или какие-либопрактические рекомендации по разработке микрореакторных систем;5) Технологические процессы осаждения и травления в микрореакторах описаны длягазофазных и жидкофазных систем.
Число работ, посвященных этой теме мало. Задачалокализации области осаждения в технологии ХОГФ решается только путем создания области свысокой температурой или локализованой плазменной обработкой. Примеров решения такойпроблемы путем структурирования газовых потоков для данной технологии не найдено.Примеров рассмотрения вопросов жидкофазного травления в микрореакторах не найдено.Основываясь на выводах можно сформулировать цель диссертационного исследования.Целью работы является исследование закономерностей локальных гетерогенныхпроцессов химического осаждения и травления в микрореакторах с газовой и жидкой фазой,разработка методик проектирования и расчетов таких систем, поиск способов их практическогоприменения в технологии устройств микросистемной техники.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:1) Разработать приближенные аналитические методы проектирования химическихмикрореакторов с учетом явления проскальзывания скорости на стенках;362)Сприменениемпостроеннойипровереннойнаосновелитературныхиэкспериментальных данных математической модели исследовать основные закономерностипроцесса локального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе;3) Разработать конструктивную схему микрореактора для локального химическогоосаждения из газовой фазы, описать области его практического применения;4)Напримеретехнологиижидкостногоанизотропноготравлениякремниявмикрореакторе, изучить вопросы, связанные с изменением формы сечения реактора во времяработы и тепловые условия проведения процесса;5) Найти способы применения микрореакторов с жидкой фазой для созданиямикроканалов с заданным гидравлическим сопротивлением в многослойных пластинахкремний-на-стекле.37Глава 2.
Разработка аналитических моделей для расчета микрореакторов2.1. Выбор методологии исследованияВ данной главе рассматривается методология решения поставленных в исследованиизадач. Для выбора метода необходимо изначально указать на ряд особенностей:1) Микрореакторы являются системами для проведения химических процессов,продолжая историческую линию развития аппаратов химической технологии, поэтому в целяхисследования свойств микрореакторов можно применять методологические подходы, которыеуспешно используются для расчета традиционных химических аппаратов;2) Микрореакторы являются системами с малыми геометрическими размерами, чтоприводит к увеличенному вкладу поверхностных процессов по сравнению с объемными.Возможно проявление других размерных эффектов. Эти факторы должны быть учтены впроцессе исследования и разработки микрореакторов;3) Микрореакторы имеют малые размеры, поэтому проведение непосредственныхизмерений технологических параметров в них крайне затруднено.
Это обуславливаетсянеобходимостью иметь «инструмент» исследования, много меньший по размерам чем самаизмеряемая система. Принципиально это возможно, современные датчики и сенсорывыполненные по технологии микросистемной техники имеют минимальные размеры и могутбыть интегрированы в конструкцию микрореактора. Однако методология проведения такихизмеренийвмикромасштабенеразработана,существуютобъективныетрудностиинтерпретации результатов измерения.Описанные особенности микрореакторных систем заставляют нас на данном этапеисследования отказаться от натурных экспериментов как от основного метода исследования.Это обуславливается рядом дополнительных причин.
Для проведения натурных экспериментовнеобходимо изготовить микрореактор. Это ресурсозатратный процесс. Не имея представления отом, как он должен функционировать, какую иметь конструкцию и в каких диапазонахтехнологических параметров он должен работать, вероятность сразу сделать работающиймикрореактор для последующего его исследования очень мала. Добавляются методологическиетрудности проведения измерений в микромасштабе. В случае проведения неподготовленныхэкспериментальных исследований мы будем иметь вместо высокотехнологичной химическойсистемы «черный ящик», который не даст никакой информации о происходящих в немвнутренних процессах. Многие вопросы, связанные с технологией останутся неразрешенными.Альтернативнымподходомявляетсяпроведениеизначальныхтеоретическихисследований.
В работе мы используем несколько основных подходов, которые можно38обозначать как методы моделирования. Мы будем строить различные модели химическихреакторов и их исследовать. Существуют две большие группы используемых математическихмоделей – модели, уравнения в которых можно аналитически решить, и модели, для решениякоторых необходимо прибегать к приближенным численным методам.К первой группе относятся модели, которые используются для расчетов традиционныххимических реакторов: реактор идеального смешивания, идеального вытеснения и т.д.Особенностью является то, что они рассматривают обобщенные и осредненные характеристикиреактора в целом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
