Элементный состав и структура

Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 1
спектрометрии // Материалы XXI Междунар. науч.-практ. конф. асп., магистр. и студ. «Физика конденсированного состояния»
(Гродно, 18–19 апр. 2013 г.). Гродно, 2013. С. 229–230.
7. Ч и н ь Н г о к Хо а н г, Ф а м Уи е н Тх и , Т а н и н А . Л . , Щ е г о л е в А . В . , Б ул о й ч и к Ж . И . , М а с л о в а Г. Т.
Исследование влияния ортофосфатов K на пространственное распределение катионов Ca, Mg и Al в высохших на бумажных
фильтрах каплях белка методом локальной лазерной атомно-эмиссионной спектрометрии // Материалы II Междунар. науч.прак. конф. «Прикладные проблемы оптики, информатики, радиофизики и физики конденсированного состояния», посвящ.
110-летию со дня рожд. акад. А. Н. Севченко (Минск, 27–28 февр. 2013 г.). Минск, 2013. С. 248–249.
8. З а й д е л ь А . Н . Основы спектрального анализа. М., 1965.
9. З а ж о г и н А . П . Атомный спектральный анализ: курс лекций. Минск, 2005.
10. Тю л ь п а ко в А . Н . , П а в л о в А . А . , Р а з у м о в с к и й А . Ю . , П е т р я й к и н а Е . Е . , В и т е б с к а я А . В . Случай
тяжелого неонатального гиперпаратиреоза, обусловленный дефектом кальциевого рецептора // Проблемы эндокринологии.
2010. Т. 56, № 4. С. 27–33.
11. Б а бу р и н И . Н . , Д у б и н и н а Е . Е . , К и р ь я н о в а В . В . , Го н ч а р о в а В . Г. , С о ко л я н Н . А . Минеральный состав крови при невротических расстройствах // Вестн. психотерапии. 2011. № 39. С. 18–27.
Поступила в редакцию 20.12.13.
Чинь Нгок Хоанг  заведующий кафедрой «Технология электротехники, электроники» университета Винь (Вьетнам).
Фам Уиен Тхи – студентка 5-го курса физического факультета.
Лэ Тхи Ким Ань – магистрант кафедры лазерной физики и спектроскопии. Научный руководитель – доктор физико-математических наук, профессор кафедры лазерной физики и спектроскопии А. П. Зажогин.
Мария Николаевна Трущенко – научный сотрудник РНПЦ неврологии и нейрохирургии.
Жанна Игнатьевна Булойчик – кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры физической оптики.
УДК 539.2
Н. И. ПОЛЯК, А. А. СОЛОБАЙ, Н. Г. ВАЛЬКО
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА Zn-Ni-SiO2-ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ НА ЭЛЕКТРОЛИТ
С помощью рентгеноспектрального микроанализа и растровой электронной микроскопии обнаружено, что при воздействии рентгеновских лучей на электролит, содержащий наночастицы SiO2, осаждаются покрытия Zn-Ni-SiO2(Х) с большим
содержанием никеля, при этом наблюдается существенное изменение морфологии их поверхности – размер гранул заметно
увеличивается от 0,2–0,5 мкм для исходного покрытия Zn-Ni-SiO2 до 0,5–1,0 мкм. При одинаковом времени осаждения толщина покрытий Zn-Ni-SiO2(Х) составляет 20 мкм, а Zn-Ni-SiO2 на 30 % меньше. С помощью атомно-силовой микроскопии
показано, что для Zn-Ni-SiO2(Х) характерен более развитый рельеф поверхности. Наблюдаемые особенности морфологии поверхности покрытий могут быть связаны с тем, что добавка в электролит частиц SiO2 предотвращает расслоение и оседание
его компонентов, увеличение вязкости электролита. При воздействии рентгеновских лучей на электролит в результате радиолиза рост зародышей может происходить с большей скоростью, что может привести к формированию гранул сложной формы
и большего размера.
Ключевые слова: электроосаждение; покрытия Zn-Ni-SiO2; элементный состав; морфология поверхности.
Using X-ray microanalysis and scanning electron microscopy Zn-Ni-SiO2-plating containing SiO2 nanoparticles were
studied. It was found that X-ray irradiation of the electrolyte leads to the increased Ni concentration in Zn-Ni-SiO2(X) films
and the grain size is also increasing (the grain size is twice that in the unirradiated case). A thickness of Zn-Ni-SiO2(X) plating
is 20 μm and a thickness of the Zn-Ni-SiO2-plating is about 15 μm. The surface morphology was studied using AFM method. It
was shown that the observed features of the coatings surface morphology can be due to the fact that the additive nanoparticles
SiO2 in the electrolyte prevent delamination.
Key words: еlectroplating; Zn-Ni-SiO2-plating; composition; surface morphology.
Растущая необходимость улучшения функциональных свойств деталей привлекает внимание к электроосажденным Zn-Ni-покрытиям, которые получили широкое распространение в технике. Интенсивно разрабатываются новые методики электрохимического нанесения покрытий с использованием
внешних воздействий (ультразвук, рентгеновское излучение и др.), посредством которых удается значительно улучшать свойства изделий.
В последнее время наметился интерес к введению наночастиц в электрохимические покрытия [1–5],
в результате чего заметно изменяются их структура, механические и защитные свойства. В качестве добавок используют наночастицы простых оксидов – SiO2, Al2O3, TiO2 [1].
Внимание к покрытиям Zn-Ni-SiO2 связано с их достаточно широким использованием в аэрокосмической отрасли и морской промышленности из-за своих хороших эксплуатационных свойств: износостойкости и коррозионной стойкости.
Различие в химическом составе электролита, условиях и параметрах осаждения приводит к тому,
что частицы SiO2 по-разному могут включаться в матрицу, при этом наблюдается большой разброс
свойств покрытий. Анализ работ [1–5] показывает, что механизм совместного осаждения покрытий
Zn, Zn-Ni и частиц SiO2 пока не выяснен. Процесс соосаждения связывают с тем, что отрицательно за36
Физика
ряженные частицы SiO2 – гидрофильные и всегда взаимодействуют с электролитом. Адсорбция ионов
электролита на частицы и начальный поверхностный состав последних определяют заряд, который индуцирует двойной слой ионов электролита вокруг частицы. Такой двойной слой играет важную роль во
взаимодействиях между частицами, а также между частицами и электродом. Ионы Zn2+ и Ni2+ должны
окружать частицы SiO2, чтобы дать им общий положительный заряд, что приводит к соосаждению на
отрицательно заряженный катод.
Целью настоящей работы являлось изучение влияния рентгеновских лучей на элементный состав
и структуру Zn-Ni-покрытий, осажденных из слабокислого электролита, содержащего наноразмерные
частицы SiO2 (образец Zn-Ni-SiO2(Х)). В качестве контрольных образцов использовались покрытия
(Zn-Ni-SiO2), полученные без воздействия рентгеновских лучей на электролит.
Методика эксперимента
Формирование покрытий проводилось из электролита (рН = 4) на подложки из конструкционной
углеродистой стали 08кп при плотности тока 2 А/дм2. Источником лучей являлась рентгеновская трубка
с молибденовым анодом (=0,708 Å). В электролит состава: H3BO3 (25) + ZnSO4 (125) + NiSO4 (75) (г/л)
вводился порошок SiO2 (1 г/л) с размером частиц около 10 нм.
Исследование морфологии поверхности электролитических покрытий осуществлялось с помощью
растрового электронного микроскопа LEO 1455 VP при нормальном падении пучка на поверхность образца и ускоряющем напряжении 20 кВ. Рентгеноспектральный микроанализ проводился с использованием энергодисперсионного SiLi-полупроводникового детектора фирмы Rőntec (Германия). Изучение
топографии поверхности покрытий производилось в контактном режиме с помощью атомно-силового
микроскопа NT-206.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1, а, б, приведены микрофотографии поверхности покрытий. Для Zn-Ni-SiO2 характерна
гранулированная структура с размером гранул 0,2–0,5 мкм. Для покрытий, сформированных при
воздействии на электролит рентгеновских лучей, наблюдается существенное изменение морфологии их поверхности: размер гранул заметно увеличивается и составляет 0,5–1,0 мкм, при этом
крупные гранулы образованы в результате слипания более мелких. Состав поверхностного слоя
покрытий Zn-Ni-SiO2(Х) отличается бóльшим содержанием никеля (и меньшим – кислорода) по
сравнению с Zn-Ni-SiO2 (таблица).
Элементный состав покрытий и порошка (ат. %)
Образец
Zn
Ni
O
Fe
Si
Zn-Ni-SiO2
72,7
1,9
25,1
0,3
–
Zn-Ni-SiO2(Х)
81,7
6,3
12,0
–
–
Порошок
–
–
68,5
–
31,5
За одинаковое время осаждения толщина покрытий Zn-Ni-SiO2(Х) составляет 20 мкм, а Zn-Ni-SiO2
на 30 % меньше (рис. 1, в, г). Структура покрытий однородная, вблизи подложки наблюдаются трещины (в большей степени для Zn-Ni-SiO2(Х)).
С помощью атомно-силовой микроскопии установлено, что для Zn-Ni-SiO2(Х) характерен более развитый рельеф и, как следствие, большая шероховатость поверхности. Средняя шероховатость поверхности Ra покрытий Zn-Ni-SiO2(Х) составляет 0,3 мкм и превышает среднюю шероховатость покрытий
Zn-Ni-SiO2 (Ra = 0,2 мкм, рис. 2, а, б).
Наблюдаемые особенности морфологии поверхности покрытий могут быть связаны с тем, что добавка в электролит частиц SiO2 предотвращает расслоение и оседание его компонентов. В электролите
находящиеся на поверхности частиц группы силанола (SiOH) могут вступать во взаимодействие через
водородные мостиковые соединения, при этом создается скелетная структура, которая вызывает увеличение вязкости электролита [6]. При воздействии квантов рентгеновского излучения на электролит
в результате радиолиза рост зародышей может происходить с большей скоростью, что может привести
к формированию гранул сложной формы и, как следствие, большего размера, т. е. действие рентгеновского излучения на электролит в процессе электроосаждения аналогично увеличению плотности тока.
Можно предположить, что наличие трещин в покрытии Zn-Ni-SiO2(Х) связано с напряжениями на границе «подложка – покрытие», обусловленными большей скоростью роста пленки.
***
Таким образом, обнаружено, что при воздействии рентгеновских лучей на электролит, содержащий
частицы SiO2, осаждаются покрытия Zn-Ni с бóльшим содержанием никеля по сравнению с покрытиями, полученными без воздействия рентгеновских лучей, с однородной структурой, отличающейся
большим размером гранул и, как следствие, большей шероховатостью поверхности.
37
Вестник БГУ. Сер. 1. 2014. № 1
Рис. 1. Морфология поверхности и поперечное
сечение покрытий Zn-Ni-SiO2 (а, в), Zn-Ni-SiO2(Х) (б, г)
Рис. 2. АСМ-изображения поверхности покрытий Zn-Ni-SiO2 (а) и Zn-Ni-SiO2(Х) (б)
38
Физика
Б И Б Л И О Г РА Ф И Ч Е С К И Й С П И С О К
1. G o m e s A., P e r e i r a I., F e r n a n d e z B., P e r e i r o R. Electrodeposition of Metal Matrix Nanocomposites: Improvement
of the Chemical Characterization Techniques // Advances in Nanocomposites – Synthesis, Characterization and Industrial Applications.
2011. P. 503–526.
2. K o n d o K., O h g i s h i A., T a n a k a Z. Electrodeposition of Zinc-SiO2 Composite // J. of the Electrochemical Society. 2000.
Vol. 147, № 7. Р. 2611–2613.
3. H i n o M., H i r a m a t s u M., M u r a k a m i K. Electroplated Zn-Ni-SiO2 Composite Coatings Treated with a Silane Coupling
Agent to Replace Chromating // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2005. Vol. 18, № 3. P. 416–422.
4. H a m m a m i O., D h o u i b i L., B e r c o t P. Study of Zn-Ni Alloy Coatings Modified by Nano-SiO2 Particles Incorporation // Research Article, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Corrosion Volume. 2012. Article ID 301392. P. 1–8.
5. K u m a r a g u r u S. P., V e e r a r a g h a v a n B., P o p o v B. Development of an Electroless Method to Deposit CorrosionResistant Silicate Layers on Metallic Substrates // J. of the Electrochemical Society. 2006. Vol. 153, № 7. B253–В259.
6. Н у ж н ы й А. Ю., К а л у г и н О. Н. Определение скорости гелеобразования в системе SiO2-H2SO4-H2O методом турбидиметрии // Вісник Харківського національного університету. Хімія. 2007. Вип. 15 (38), № 770. С. 251–262.
Поступила в редакцию 23.12.13.
Наталья Ипполитовна Поляк – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела.
Анастасия Андреевна Солобай – студентка 6-го курса физического факультета. Научный руководитель – Н. И. Поляк.
Наталья Георгиевна Валько – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики Гродненского государственного университета им. Янки Купалы.
УДК 53.089.5
Е. А. ЧУДОВСКАЯ
ТЕМНОВОЙ ТОК КАНАЛА МИКРОКАНАЛЬНОЙ ПЛАСТИНЫ
Представлено математическое описание физических процессов термо- и автоэмиссии, имеющих место в полупроводниковом покрытии канала микроканальной пластины (МКП). В любой момент времени в каждой точке поверхности канала
МКП без инициирующего излучения рождается равномерный поток электронов, зависящий от температуры покрытия канала
и приложенного к ней напряжения питания. Это есть токи термо- и автоэмиссии, вместе составляющие темновой ток каналов пластины. На процесс термоэмиссии влияет распределение температур в пластине. Величина токов автоэмиссии зависит
от приложенного к пластине напряжения питания и структуры эмитирующей поверхности. Обе эти характеристики зависят
от материала изготовления покрытия каналов МКП (толщины эмиссионного слоя, исходных концентраций положительных
и отрицательных носителей заряда, водородоподобных атомов примесей). Приводится результат моделирования тока термоэмиссии канала МКП в стационарном режиме.
Ключевые слова: темновой ток канала МКП; ток термоэмиссии канала МКП; ток автоэмиссии канала МКП; моделирование процессов формирования темнового тока канала МКП.
This article is a mathematical description of the physical processes of thermo- and autoemissionin the semiconductive cover
of the microchannel plate channel. In every moment at any place of the channel a uniform electron flow originates without force
radiation. Thermal- and autoemission culverts both are forming the dark current of the channel. The temperature distribution of the
plate influences the thermal emission process. The auto-emission process is dependent on the applied voltage and the structure of the
emission surface. Both characteristics are dependent on the construction material of MCP, such as positive and negative charge carriers,
dopes hydrogen-like atoms, the emission layer depth. There is listed the result of modeling of the thermoemission current in steadystate mode.This model development brings in the MCP nanotechnologies.
Key words: dark current of the channel of MCP; thermal emission current of the channel of MCP; autoemission current of the
channel of MCP; the dark current force processes modeling of the channel of MCP.
Микроканальная пластина (МКП) – один из видов фотоэлектронного умножителя открытого типа –
широко используется в качестве усилительного элемента в приборах ночного видения, различного рода
детекторах излучений как фотонов в широком диапазоне энергий, так и электронов, протонов и более
тяжелых заряженных частиц, в позиционно-чувствительных детекторах, временных ответчиках для
измерения скоростей продуктов ядерных реакций, в медицине.
Одним из основных параметров прибора, влияющих на величину его выходного сигнала, является
темновой ток – ток эмиссии в отсутствие внешней инициирующей частицы, величина которого зависит как от внешних параметров работы прибора, так и от свойств материала, применяемого при его
изготовлении [1]. Любой свободный электрон, находящийся вблизи поверхности канала МКП и обладающий энергией, достаточной для выхода из нее, способен создать лавину вторичных электронов
в вакуумном пространстве этого канала.
Цель данной работы – теоретическое изучение величины темнового тока канала МКП в зависимости
от параметров материала изготовления, температуры и приложенного к пластине напряжения питания.
На величину плотности темнового тока jst оказывают влияние токи термо- и автоэмиссии, являющиеся параметрами материала изготовления. В любой момент времени и в каждой точке поверхности
канала пластины как без инициирующего излучения, так и при нем рождается равномерный поток
39