Статья поступила в редакцию 06.10.14. Ред. рег. № 2102
The article has entered in publishing office 06.10.14. Ed. reg. No. 2102
УДК 538.911
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ СВЕРХТОНКИХ МЕМБРАН НА ОСНОВЕ СПЛАВОВ ПАЛЛАДИЯ ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ВОДОРОДА ИЗ ГАЗОВЫ1Х СМЕСЕЙ
В.Т. Волков, А.Ф. Вяткин, В.Г. Еременко, Ю.А. Касумое, А.С. Колчина*
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН Россия 142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. ак. Осипьяна, 6 тел.: 8(496)524-41-95; e-mail: a.kolchina@mail.ru
doi:10.15518/isjaee. 2014.20.009
Заключение совета рецензентов: 08.10.14 Заключение совета экспертов: 10.10.14 Принято к публикации: 14.10.14
Исследовано влияние параметров микроструктуры тонких пленок сплава палладия В1 на характеристики взаимодействия водорода с этими плёнками. Показано, что в зависимости от параметров их роста, таких как скорость роста, температура роста, а также химический состав и морфология подложек роста, уже на начальной стадии (3 - 25 Â) формируется различная микроструктура пленок. Такая начальная микроструктура наследуется при дальнейшем росте толщин пленок вплоть до 30 - 50 нм. Различие в микроструктуре пленок приводит в результате к отличию термодинамических равновесных и кинетических параметров взаимодействия водорода с тонкими пленками сплава, в частности, растворимости водорода и коэффициента диффузии водорода в сплаве и, следовательно, водородопроницаемости этого сплава. Исследование шероховатости тонких пленок сплава палладия В1 при термической обработке свидетельствует о напряженном характере этих пленок в состоянии сразу после их роста. При этом степень напряженности пленок, выращенных на различных подложках, оказывается разной.
Ключевые слова: сплавы палладия, водород, композитные мембраны, диффузия, водородопроницаемость.
PHYSICAL BASES OF TECHNOLOGY AND MATERIAL SCIENCE OF ULTRATHIN PALLADIUM ALLOY MEMBRANES FOR THE HYDROGEN SEPARATION FROM
GAS MIXTURES
V.T. Volkov, A.F. Vyatkin, V.G. Eremenko, Yu.A. Kasumov, A.S. Kolchina
Institute of Microelectronics Technology and High Purity Materials, Russian Academy of Sciences 6 Academician Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow region, 142432 Russia ph.: 8(496)524-41-95, e-mail: a.kolchina@mail.ru
Referred: 08.10.14 Expertise: 10.10.14 Accepted: 14.10.14
Palladium alloy film microstructure influence on hydrogen interaction with the films has been investigated. It was shown that during initial stages of the thin film growth (3 - 25 Â), microstructures of various types are formed depending on the film growth rate, growth temperature, chemical composition and morphology of the growth substrate. These initial microstructures are inherited by the films when their thickness grows to 30 -50 nm. As a result, the difference in the microstructures brings to the variability of thermodynamic and kinetic parameters of hydrogen interaction with alloy thin films, in particularly, the hydrogen solubility, the hydrogen diffusion in the alloys and hence the hydrogen permeability in the alloys. Roughness evolution during the thin films thermal treatment shows a stressed state immediately after the films growth. The stress extent of the films grown on the different substrates is different as well.
Keywords: palladium alloys, hydrogen, composite membranes, diffusion, hydrogen permeance.
№ 20 (160) 2014
Волков Владимир Тимофеевич Volkov Vladimir Timofeevich
Сведения об авторе: старший научный сотрудник Института проблем технологии микроэлектроники и особочистык материалов РАН.
Образование: Московский институт стали и сплавов (МИСиС), 1972 г.
Область научных интересов: физическое материаловедение и создание тонких функциональным пленок методами физического и электронно-лучевого испарения.
Публикации: 62 научные статьи и 5 патентов.
Контакты: тел.: 8(49652) 44144; e-mail: vtvolkov@iptm.ru
Information about the author: Senior Researcher of Institute of Microelectronics Technology, Russian Academy of Sciences.
Education: Moscow Institute of Steel and Alloys in 1972.
Area of researches: material science and creating thin functional films by methods of physical and electron-beam evaporation.
Publications: 62 scientific papers and 5 patents.
Contacts: ph.: 8(49652) 44144, e-mail: vtvolkov@iptm.ru
Еременко Валентин
Георгиевич Eremenko Valentin Georgievich
Сведения об авторе: д. ф.-м. н., профессор, заместитель директора по научной работе Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН; постоянный член оргкомитетов международных конференций по технологии ионной имплантации и мо-лекулярно-лучевой эпитаксии кремния и кремний-германиевых сплавов.
Образование: Московский институт стали и сплавов, 1971; диссертация на соискание ученой степени к. ф.-м. н., 1975; ученая степень д. ф.-м. н., 1998.
Область научных интересов: физическое материаловедение и разработка физических основ технологических процессов микро- и наноэлектроники, в том числе: молекулярно-лучевой эпитаксии кремния и кремний-германиевых квантово-размерных структур и ионной имплантации.
Публикации: 215 научных работ, в том числе, 118 научных статей, 93 научных доклада и 4 патента.
Контакты: тел.: 8(49652)44075; e-mail: Vyatkin@iptm.ru
Сведения об авторе: к. ф.-м. н., ведущий научный сотрудник Института проблем технологии микроэлектроники и особочистык материалов РАН.
Образование: Томский государственный университет, 1968 г.
Область научных интересов: физические свойства и структура дефектов в полупроводни-ковык материалах, растровая и просвечивающая электронная микроскопия, методы оптической и атомно-силовой микроскопии.
Публикации: 98 работ.
Контакты: тел.: 8(49652)44012; e-mail: ere-menko@iptm.ru
Information about the author: D. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, a Deputy Director of Institute of Microelectronics Technology, Russian Academy of Sciences.
Education: Moscow Institute of Steel and Alloys, 1971. He received his PhD, 1975, then became a professor of solid state electronics, radio electronic components, micro- and nanoe-lectronics, devices based on quantum effects, 1998.
Area of researches: material science and development of physical basis for technological processes of micro- and nanoelec-tronics including silicon and silicongermanium molecular beam epitaxy and ion implantation.
Publications: 215 scientific publications including 118 scientific papers, 93 reports from scientific conferences and 4 patents.
Contacts: ph.: 8(49652)44075, e-mail: Vyatkin@iptm.ru
Information about the author: Ph.D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of Institute of Microelectronics Technology, Russian Academy of Sciences.
Education: Tomsk State University (1968).
Area of researches: Physical properties and the defects structure in semiconductor materials. Methods of Scanning and Transmission electron microscopy. Optical and Atomic force microscopies.
Publications: 98 papers.
Contacts: ph.: 8(49652)44012, e-mail: eremenko@iptm.ru
Касумов Юсиф Алекберович Kasumov Yusif Alekberovich
Сведения об авторе: к. ф.-м. н., научный сотрудник Института проблем технологии микроэлектроники и особочистыгх материалов РАН.
Образование: Московский институт стали и сплавов (МИСиС), 2000 г.; диссертация на соискание ученой степени к. ф.-м. н., 2005.
Область научных интересов: электронная микроскопия.
Публикации: 22 научные статьи и 2 патента.
Контакты: тел.: 8(49652)44193; e-mail: kya@iptm.ru
Information about the author: Ph.D. (Physics and Mathematics), Research Fellow of Institute of Microelectronics Technology, Russian Academy of Sciences.
Education: Moscow Institute of Steel and Alloy, 2000. In 2005 he received his PhD.
Area of researches: electron microscopy.
Publications: 22 scientific papers and 2 patents.
Contacts: ph.: 8(49652)44193, e-mail: kya@iptm.ru
Колчина Анастасия
Сергеевна Kolchina Anastasia Sergeevna
Сведения об авторе: инженер Института проблем технологии микроэлектроники и особо-чистыгх материалов РАН.
Образование: Российский Химико-технологический Университет имени Д.И. Менделеева, 2009.
Область научных интересов: водородная энергетика, в частности, разработка технологии получения сверхтонких водородосепарирующих металлических мембран на основе палладия.
Публикации: 5 научных статей и 1 патент.
Контакты: тел.: 8(49652)44195; e-mail: ako lchina@mail. ru
Information about the author: engineer of Institute of Microelectronics Technology, Russian Academy of Sciences.
Education: D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia in 2009.
Area of researches: development technology ultra thin metal membrane for hydrogen separation based on palladium.
Publications: 5 scientific papers and 1 patent.
Contacts: ph.: 8(49652)44195, e-mail: akolchina@mail.ru
Введение
На текущей стадии развития современных технологий получение чистого водорода, как материала для воспроизводимого высокоэффективного производства энергии, является чрезвычайно актуальной задачей. Наиболее полно удовлетворяет требованиям данной задачи способ получения сверхчистого водорода с помощью сплавов на основе палладия, который основан на сепарации его из смесей газов, получаемых в промышленных масштабах в таких, например, производствах, как паровая конверсия природного газа. В основе метода лежит свойство палладия растворять в своей решетке значительные количества водорода вплоть до величин соответствующих сте-хиометрическому составу гидрида палладия РЖ. Высокие значения коэффициента диффузии водорода в палладии также способствуют использованию палладия и его сплавов для производства фильтров. Традиционно палладиевые фильтры изготавливаются в виде блоков трубчатых структур с толщиной фильтрующего элемента ~100 мкм, что обеспечивает высокую механическую прочность мембран и позволяет работать при перепадах давления водорода на входной и выходной сторонах мембраны порядка десятков атмосфер. Однако такая схема устройства фильтров характеризуется рядом крупных недостатков. Во-первых, толстостенные фильтры
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.