TARTU ÜLIKOOL Loodus- ja tehnoloogiateaduskond Materjaliteaduse instituut Füüsika instituut Marko Part METALLOKSIIDSETE MIKROTORUDE VALMISTAMINE JA NENDE OMADUSTE UURIMINE. Bakalaureusetöö Juhendaja: Dr. Tanel Tätte Tartu 2009
Sisukord 1. Sissejuhatus...5 2. Kirjanduse ülevaade...7 2.1. Miniaturiseerimine (mikro ja nanotehnoloogiad)...7 2.2. Keraamilised mikrostruktuurid...7 2.3. Miniatuursed torujad materjalid......9 2.4. Metallialkoksiidid ja nende kasutamine oksiidsete materjalide sünteesil....10 2.4.1. Metalliaatomi mõju alkoksiidi omadustele......11 2.4.2. Alkoksiidide hüdrolüüs ja polükondensatsioon.........12 2.4.3. Geelistumine...13 2.5. Viskoossus ja voolavusomadused......15 2.6. Mikrotorude valmistamine......18 2.7. Mikrotorude rakendused......19 3. Eksperimentaalne osa...21 3.1. Kasutatud ainete füüsikalised karakteristikud...21 3.2. Torude lähteaine valmistamine...21 3.3. Lähteainete voolamisomaduste uurimine...23 3.4. Torude valmistamine...24 3.5. Torude manipuleerimise tehnoloogia...25 3.6. Torude järeltöötlus...25 3.7. Torude geomeetria mikroskoopiline analüüs...26 3.8. Torude rõhutaluvuse uurimine......27 4. Arutelu...30 4.1. Torude lähteaine valmistamine...30 4.2. Viskoossus ja voolavusomadused...30 4.3. Torude valmistamine...30 4.4. Torude järeltöötlus......31 4.5. Torude manipuleerimise tehnoloogia...31 4.6. Torude geomeetria mikroskoopiline analüüs...31 2
4.7. Torude rõhutaluvuse uurimine...32 5. Kokkuvõte......33 6. Järeldused......34 7. Summary...36 8. Kasutatud kirjandus...37 3
Töös kasutatavad lühendid MEMS- mikro- elektro mehaaniline süsteem CCD- charge-coupled device XRD- röntgendifraktsioonanalüüs CNT- süsiniknanotoru OM- optiline mikroskoop SEM- skaneeriv elektronmikroskoop STM- skaneeriv tunnelmikroskoop AFM- aatomjõu mikroskoop TEM- transmissioon elektronmikroskoop 4
1. SISSEJUHATUS Inimkonna püüd luua kompaktsemaid ja efektiivsemaid seadmeid, mis on senistest kiiremad ja tarbivad vähem energiat, on olnud liikumapanevaks jõuks mikro- ja nanoteaduste ning vastavate tehnoloogiate arendamisel. Trendi pioneerideks võib pidada arvutikiipide loojaid, kes 1960. aastatel leidsid, et kui panna ühele kiibile kokku väga palju mikroskoopilisi transistoreid, siis on võimalik ehitada efektiivsemaid, kiiremaid, vastupidavamaid ja väiksemaid arvutussüsteeme. Miniaturiseerimise trend tõi endaga kaasa nn. infotehnoloogilise revolutsiooni [1], tõestades väiksedimensiooniliste lahendite olulisi eeliseid makroskoopiliste ees. Kuigi infotehnoloogiate arengu seisukohalt hakkab mikrotehnoloogia oma võimalusi mõneti ammendama, mis tähendab, et loomuliku arengu tulemusena on jõutud nanoskaalasse, on siiski veel väga palju tehnilisi lahendeid teistes tehnika valdkondades, millede miniaturiseerimine võiks esile kutsuda revolutsioonilisi arenguid. Näiteks loodetakse progressi sellistes klassikalistes tehnoloogia valdkondades nagu mehaanika, elektromehaanika, meditsiin, energeetika jne. On eksperte, kes arvavad, et loetletud valdkondades võiks mikrotehnoloogiate kasutuselevõtt kaasa tuua analoogse eksponentsiaalse arengu, kui leidis aset 20. sajandi teises pooles infotehnoloogiate vallas. Illustreerimaks mikrotehnoloogiate aktuaalsust on joonisel 1 toodud kõver näitamaks MEMS-de patenteerimise intensiivistumist Euroopas. Trend illustreerib ilmekalt vastavas skaalas olevate materjalide ja seadmete kasutamist kaasaegseis teadusuuringuis. Joonis 1. Antug graafik illustreerib MEMS-de patenteerimise intensiivistumist Euroopas, andmed pärinevad internetist (www.epo.org). 5
Trend kinnitab eespool mainitud väidet, et mikrotehnoloogiad jäävad ka tulevikus määrava tähtsusega tehnoloogiasektoriks. 1980. aastatel kasutusele võetud terminit MEMS (micro- electro mechanical system) kasutatakse tänapäeval kõikide mehaanilist funktsiooni omavate mikroskoopiliste seadmete kirjeldamiseks. Alates sellest hetkest, kui sai võimalikuks MEMS-ide loomine, on huvi nende seadmete vastu kasvanud väga kiiresti. Need süsteemid evivad mitmeid uudseid omadusi ning oma väikeste mõõtmete tõttu saab neid kasutada kohtades, kus senituntud tehnoloogiate kasutamine on olnud raskendatud [2]. Ajastul, mil kõik peab olema väiksem, kiirem ja odavam, omavad MEMS-del baseeruvad süsteemid sageli olulisi eeliseid [1]. Teiste seas on viimase aastakümne jooksul palju tähelepanu pööratud mikroskoopiliste vedelik- ja gaasikanalite uurimisele ja kasutuselevõtule. Vastavate kanalite tekitamiseks on kasutatud mitmeid erinevaid tehnoloogiaid nagu näiteks: kanalite söövitamine klaasi või räni pinnale, kanalite lõikamine infrapunalaseriga oksiidsesse aluspinda, jne. Teiste seas on vastavaks eesmärgiks valmistatud õõnsa südamikuga fiiberstruktuure. Üheks huvipakkuvaks uurimissuunaks selles valdkonnas on keraamiliste mikrotorude, diameetriga sadadest mikromeetritest kuni mõne mikromeetrini, valmistamismeetodite välja töötamine ja nende omaduste uurimine. Praeguseks on juba kindlaks tehtud, et sellised struktuurid evivad väga häid füüsikalisi ja keemilisi omadusi, nagu näiteks küllaltki suur kõvadus ning vastupidavus kõrgetele temperatuuridele. Seetõttu saaks neid torusid kasutada seadmetes, kus metalsete või polümeersete torude rakendamine oleks võimatu või ei annaks soovitud tulemusi. Vaatamata potentsiaalsetele rakendusvaldkondadele mikroelektromehaanikas, energeetikas, optikas jne [3]. on mikroskoopiliste keraamiliste torujate struktuuride valmistamist ja nende omadusi erinevalt fiibermaterjalidest suhteliselt vähe uuritud. Seetõttu tegelevad üle maailma mitmed uurimisgrupid vastavate torude valmistamiseks sobilike tehnoloogiate väljatöötamisega. Kaesolev uurimistöö toetub varemalt meie uurimisgrupis läbiviidud töödele ja on mitmeti edasiarenduseks Aleksei Vorobjovi bakalaureusetööle, milles kirjeldati HfO 2 fiibrite valmistamist sool-geel meetodil. Antud töö eesmärgiks on oksiidmikrotorude sünteesiks sobiliku meetodika väljatöötamine ja saadud torude omaduste (rõhu- ja temperatuuritaluvus, kristallstruktuur jne.) uurimine. 6
2. KIRJANDUSE ÜLEVAADE 2.1. Miniaturiseerimine (mikro- ja nanotehnoloogiad) Mikrotehnoloogiad on teaduse ja tehnoloogia viimase viiekümne aasta arengus olnud määrava tähtsusega. Kui vaadata tagasi lähiajalukku alates 20. sajandi teisest poolest kuni 21. sajandi alguseni, siis näeme, et mikrosüsteemid ja mikrotehnoloogiad on leidnud tunnustamist ilma laialdaste diskussioonide ja vastuargumentideta. Miniaturiseerimist, mis ühtlasi baseerub hästi arenenud füüsika fundamentaalteadmistel on lihtne aktsepteerida tänu väljapaistvatele tehnoloogilistele saavutustele, mis leiavad laialt rakendamist igapäevaelus: näiteks mikrokiipides. Tegelikult on üleminek,,makrolt,,,,mikrole,, olnud loogiline arvestades inimeste soovi luua paremaid ja kompaktsemaid seadmeid. Vajadus vastavate seadmete järele andiski tõuke mikrosüsteemide loomiseks ja nende plahvatuslikult kiireks arenguks. See omakorda viis füüsika alusuuringute ja uute tehnoloogiate arendamiseni, mis on kasvatanud veelgi miniaturiseerimise vajadust. Tänapäeva tehnoloogia areneb üha väiksemate seadmete loomise suunas. Miniaturiseerimine on avaldanud olulist mõju pea igale nüüdistsivilisatsiooni valdkonnale. Viimase poole sajandi jooksul on see lausa loonud uusi teadusharusid nagu näiteks mikro- ja nanoteadused, kuna erinevate elektron- ja aatommikroskoopide abil (AFM, SEM, TEM jne.) on võimalikuks saanud mateeria uurimine aatomtasandil. Paljude igapäevaelus kasutatavate seadmete, nagu arvutid ja telefonid, tootmine on osutunud võimalikuks just tänu mikrotehnoloogiate kiirele arengule. 2.2. Keraamilised mikrostruktuurid Materjaliteadlased defineerivad keraamikat kui kristallilise või amorfse struktuuriga kõvade, kuid habraste materjalide kogumit, millel on kõrge sulamistemperatuur [4] ja mis enamasti käituvad elektriliste isolaatorite või pooljuhtidena [5]. Ühtlasi katab sõna keraamika väga laia ulatuse materjale. Seda püütakse jaotada kahte laiemasse klassi: traditsiooniline keraamika ja kõrgtehnoloogiline keraamika. Traditsiooniline keraamika omab lähedasi sidemeid nende materjalidega, mida on arendatud tsivilisatsiooni algusaegadest alates, nagu näiteks savinõude valmistamine ning hiljem tsemendi, betooni ja klaasi tootmine. Kuigi traditsiooniline keraamika esindab endiselt keraamikatööstuse põhilist osa, on viimasel ca. kuuekümnel aastal pööratud üha rohkem 7
tähelepanu kõrgtehnoloogilise keraamika arendamisele. See hõlmab erinevaid materjale, mis rakendatavad nende elektriliste, magnetiliste, elektrooniliste ja optiliste omaduste tõttu. Suur osa praegusest elektroonikatööstusest ongi üles ehitatud kõrgtehnoloogilise keraamika valdkonnas tehtud saavutustele. Iga telefoni ja arvuti kõige tähtsamad komponendid baseeruvad pooljuhttehnoloogial, mille kasutamise elektroonikatööstuses on teinud võimalikuks keraamika kiire areng. Keraamikal baseeruval pooljuhttehnoloogia arengus toimus esimene oluline hüpe 1947. aastal kui Bell Telephone Laboratories töötavad teadlased John Bardeen ja Walter Brattain valmistasid esimese transistori. See leiutis tõi neile 1956. aastal Nobeli füüsika preemia [6]. Keraamilised materjalid on anorgaanilised ja mittemetalliliste omadustega [7]. Keraamilised ühendid võivad olla oksiidsed, nagu näiteks alumiinium (Al 2 O 3 ) ja tsirkoonium (ZrO 2 ) ja mitteoksiidsed, nagu karbiidid (SiC, B 4 C), nitriidid (Si 3 O 4, BN), boriidid (TiB 2 ) jne. Struktuuri poolest on kõik tahked materjalid kas kristallilised või amorfsed. Kristallilised materjalid on tavaliselt polükristallilised, mis tähendab, et nad koosnevad paljudest väikestest kristallidest või teradest, eraldatuna üksteisest terade piirpindadega [8]. Nii nagu metallides, saab ka keraamiliste materjalide puhul rääkida kahte tüüpi struktuurist, mis avaldavad sügavat mõju materjali omadustele. Esimene struktuuri tüüp on atomaarne ehk aatomtasandi struktuur, kus eristatakse sidemete tüüpe aatomite vahel ja kristallstruktuuri kristalliliste ainete puhul või amorfset struktuuri amorfsete materjalide puhul. Teine struktuuritüüp on mikrostruktuur, mis viitab keraamiliste ühendite koosseisu kuuluvate elementide olemusele, kogusele ja nende jaotusele vastavas ühendis. Mitmed materjalide rakenduse seisukohast olulised omadused, nagu mehaaniline tugevus, dielektriline konstant ja elektrijuhtivus, sõltuvad tugevasti aine mikrostruktuurist. Seega aine mikrostruktuuri parandades ja seda teiste lisanditega erinevate elementide näol dopeerides on võimalik parandada ka tema omadusi [4, 9]. Struktuurist tulenevalt on keraamilistel materjalidel tavaliselt kõrge sulamistemperatuur, mistõttu neid kasutatakse kõrget kuumust taluma pidavates kohtades [10]. Samas on nad ka kõvad kuid haprad ning keemiliselt inertsed ka kõrgetel temperatuuridel [11]. Nende materjalide elektrilised ja magneetilised omadused varieeruvad väga laias ulatuses. Neid omadusi ära kasutades võib keraamilisi materjale rakendada nii isolaatorite kui ka elektrijuhtidena. Seega on keraamilistele materjalidele väga palju erinevaid kasutusvaldkondi. Tavaliselt on mingi kindla rakenduse jaoks vaja vähemalt ühte kindlat omadust, kuid seejuures ei saa ka teisi omadusi arvesse võtmata jätta. Tänapäeva 8
kõrgtehnoloogilise keraamika jaoks on esmatähtis erinevate omaduste kombinatsioon, mis annab materjalile uudsed omadused. Rakendused, mille jaoks kõrgtehnoloogilist keraamikat arendatakse, on väga mitmekülgsed ning vajavad uudsete omadustega ja vastupidavamaid materjale. Selle valdkonna jaoks eeldatakse lähitulevikus veelgi kiiremat arengut. Kuna antud töös kasutatakse mikrostruktuursete materjalide valmistamiseks peamiselt tsirkooniumit sisaldavaid ühendeid, siis vaatleme põhiliselt ka ZrO 2 rakendamist erinevates valdkondades. Tänu oma mitmekülgsetele omadustele on ZrO 2 rakendamise ampluaa erinevates tehnoloogiavaldkondades väga lai. Olles ioon-juhtiv materjal [4, 12], saab seda kasutada hapnikusensorites, ph-meetrites ja kütuseelementides elektroodimaterjalina. Head termilised omadused lubavad seda kasutada ka infrapunakiirgrurites, kõrget temperatuuri taluma pidavates seadmetes ine. Mehaaniliselt kulumiskindla materjalina leiab ZrO 2 kasutust mehaanilistes tihendites, kulumist vähendavates katetes, hõõrdumist vähendavates laagrites ning rõhusensorites. Meditsiinis kasutatakse seda erinevate implantaatide valmistamisel [12, 13]. Kuna keraamiliste materjalide mikrostruktuur sõltub oluliselt valmistamismeetodist [14], siis seda uurides võib nii mõndagi öelda selle meetodi headuse ja sobivuse kohta. Mikrostruktuuri uurimine võib meid juhtida ka järeldusteni, mille järgi on võimalik valmistamismeetodeid muuta nii, et tagada materjalile oodatud karakteristikud. Kõrgtehnoloogilised keraamilised materjalid, mille omadustele on esitatud kõrged nõudmised, omavad sageli suhteliselt lihtsat mikrostruktuuri. Vaatamata sellele on sellise suhteliselt lihtsa mikrostruktuuri saavutamine küllaltki raske ülesanne [15]. Seetõttu üritatakse kasutada võimalikult lihtsa struktuuriga ühendeid, sest vähem keeruliste ühendite puhul on mikrostruktuuri kontrollimine lihtsam. 2.3. Miniatuursed torujad materjalid Miniatuurseid torujaid struktuure saab teha praktiliselt igast teadaolevast materjalistmetallidest, keraamikast, klaasist, polümeeridest ja komposiitmaterjalidest, diameetriga mõnest sajast nanomeetrist sadade mikromeetriteni (võrdluseks võib tuua, et inimese juuksekarva läbimõõt on ~100 mikromeetrit). Nii nagu torude välimine diameeter, on ka sisemine diameeter teatud ulatuses varieeritav. Torusid on võimalik teha seinapaksusega isegi kuni 10 nanomeetrit [16]. 9
Torude pikkus sõltub mitmest parameetrist: toru materjali tüübist, lisandite hulgast toru lähtematerjalis, toru seina poorsusest, torude valmistamistehnoloogiast jne. Hoffman ja Upadhya väidavad, et mikrotorude pikkusel ei ole piire. [16]. Kuid paljude rakenduste jaoks piisab isegi mõne sentimeetri pikkustest torudest. Ka siis on pikkuse ja diameetri suhe suhteliselt suur [17]. Näiteks 1 cm pikkuse ja 10 mikromeetrise diameetriga toru pikkuse ja sisediameetri suhe on 1000. Joonisel 2 on toodud näited mikroskoopilistest torudest. Joonis 2. Näiteid keraamilistest mikrotorudest (Paolo Colombo: Ceramic Microtubes from Preceramic Polymers ). 2.4. Metallialkoksiidid ja nende kasutamine oksiidsete materjalide sünteesil Metallide alkoksiide on uuritud alates 1846. aastast. Esimesteks sünteesitud ja uuritud metallialkoksiidideks olid räni ja boori alkoksiidsed derivaadid. Tänapäeval on turul saadaval väga paljude erinevate metallide alkoksiidid [18]. Metallide alkoksiidid üldvalemiga M(OR) n, kus n on enamasti 3-4, on alkoholide derivaadid, kus ühe tsentraalse metalliaatomi ümber on alkoksürühmad OR. Metallide alkoksiidide kasutamise eelis oksiidsete materjalide valmistamisel võrreldes teiste meetoditega on soodsad valmistamistingimused, nagu näiteks madal valmistamistemperatuur, lähteaine lihtne puhastamine, lõplike materjalide soovitava 10
struktuuri ja geomeetria saavutamine ning alkoksiidide hea kättesaadavus ja suhteliselt madal hind [19]. Need asjaolud on teinud metallide alkoksiididest kõige sobivamad kandidaadid molekulaarsete prekursorite sünteesimiseks. Metallialkoksiide rakendatakse laialdaselt erineva geomeetriaga struktuuride valmistamiseks. Kõige laiemalt on levinud monoliitide, kilede ja fiibrite valmistamine. Viimase 20 aasta jooksul tehtud alkoksiidide alased teadustööd, mis sisaldavad nii molekulaar kui ka kristallstruktuuri ning reaktsioonivõime uuringuid, on näidanud nende ühendite võimalikku kasutamist kõrgtehnoloogiliste materjalide valmistamisel. Alkoksiidid jagunevad homometallilisteks ja heterometallilisteks. Heterometallilised alkoksiidid sissaldavad vähemalt kahe erineva metalli aatomeid, näiteks LaNb 2 (O i Pr) 13. Homometallilised alkoksiidid sisaldavad ainult ühe metalli aatomeid, nagu käesolevas töös kasutatav tsirkoonium(iv)butoksiid Zr(OBu) 4 kus keskset tsirkooniumi aatomit ümbritseb neli alkoksürühma. Kuna antud töös kasutatakse ainult homometallilisi metallialkoksiide, siis ei pöörata hetterometalliliste alkoksiidide kirjeldamisele rohkemat tähelepanu. Nagu eelpool mainitud, saab alkoksiide sünteesida paljude erinevate metallide baasil, alustades leelismetallidest, näiteks LiO i Pr ja lõpetades raskete metallidega nagu Bi(O Bu) 3. Kasvav nõudlus mõnede metallide alkoksiidide järele on viinud vajaduseni nende massiliseks tootmiseks, mis teebki nendest suhteliselt odava lähtematerjali erinevate oksiidsete struktuuride valmistamisel. Tuntumate alkoksiidide tootjatena võib ära tuua sellised firmad nagu Aldrich, Fluka, STREM ja Epichem [20]. Metallialkoksiididega töötamisel tuleb suurt tähelepanu pöörata sellele, et kõik kasutatavad solvendid, reagendid ja laborinõud oleksid veevabad kuna alkoksiidid on väga niiskustundlikud. 2.4.1. Metalliaatomi mõju alkoksiidi omadustele Kogu alkoksiidide keemia põhineb hüdrolüüsi- ja kondensatsioonireaktsioonidel. Hüdrolüüsil toimub S N 2 tüüpi nukleofiilne asendusreaktsioon: H H O δ- + M δ+ - OR O - M - OR XO - M + ROH X X 11
Kus X on hüdrolüüsuv vesinik. Vahestaadiumis põhjustab negatiivselt laetud HO δ- nukleofiilne atakk positiivselt laetud metalli aatomile M δ+ metalliaatomi koordinatsiooniarvu kasvamise. Metalliaatomi positiivne osalaeng δ M ning aatomi võime suurendada oma koordinatsiooniarvu n määravad alkoksiidi keemilise aktiivsuse hüdrolüüsi- ja kondensatsiooniprotsessides. Alltoodud tabelis on ära toodud mõningate neljavalentsete (z=4) metallide elektronegatiivsused χ, osalaengud δ M, ioonraadiused r ja koordinatsiooniarvud alkoksiidides. Alkoksiid χ δ M r (Å) n Si(OPr i ) 4 1,74 +0,32 0,40 4 Ti(OPr i ) 4 1,32 +0,60 0,64 6 Zr(OPr i ) 4 1,29 +0,60 0,87 7 Ce(OPr i ) 4 1,17 +0,75 1,02 8 Liikudes perioodilisuse tabelis rühmas allapoole, siis metalli elektronegatiivsus χ väheneb, ioonraadiused ja keemiline aktiivsus suurenevad. 2.4.2. Alkoksiidide hüdrolüüs ja polükondensatsioon Alkoksiidide reageerimisel veega toimuvad keerulised hüdrolüüsi ja polümerisatsiooni reaktsioonid. Põhjalikult on neid protsesse oma töödes uurinud prof. Sumio Sakka. Tüüpilised sool-geel sünteesi lahused sisaldavad ühendeid nagu M(OR) 4, ROH, H 2 O, HCl, kus M tähistab mingi metalli aatomit ning R alküülrühma. Reaktsiooni kulgu mõjutavad solvendi iseloom, alküülrühma iseloom, vee ja alkoksiidi moolsuhe ning temperatuur. Sooli geelistumine toimub hüdrolüüsi ja polükondensatsioonireaktsiooni tulemusena. Hüdrolüüsi, mille tulemusena tekib osaliselt hüdrolüüsunud alkoksiid ja alkohol, kirjeldab joonis 1. Kondensatsioon, mille käigus tekivad M-O-M sidemed, võib toimuda joonistel 2 ja 3 näidatud kahel erineval viisil, kus esimesel juhul eraldub alkohol (dealkoholüüs) ja teisel juhul vesi (dehüdratatsioon). (hüdrolüüs) M OR + H 2 O MOH + ROH (1) (polükondensatsioon) M(OH) + ROM M O M + ROH (2) 12
M(OH) + (HO)M M O M + H 2 O (3) Kuna alkoksiidi molekulile kuuluvad alkoksüülrühmad hüdrolüüsuvad ning kondensatsioon võib alata juba peale esimese alkoksüülrühma hüdrolüüsi, siis on kogu sool-geel reaktsioon küllaltki komplitseeritud [21]. 2.4.3. Geelistumine Nagu eelmises alapunktis mainitud, toimub geelistumine keeruliste hüdrolüüsi ja polükondensatsioonireaktsioonide tulemusena. Geelistumise tulemusena on võimalik saada nii kolloidseid kui ka polümeerseid geele. Sõltuvalt sellest, mis tüüpi geeli tahetakse saada, tuleb läbi viia ka vastavad reaktsioonid. Kolloidsetes geelides on stabiilsus tagatud laengujaotuse ja steeriliste efektidega, kuid polümeersetes geelides tagavad stabiilsuse polümerisatsiooni ulatus ja lähteosakeste suurus [22, 23]. Järgnevalt vaatlemegi geelistumise protsessi mõlemat tüüpi geelide saamiseks. Polümeerse geeli, mida kirjeldab üldvalem M(OR) n, kus M on metalli aatom ja OR alkoksürühm, saamiseks tuleb metalli alkoksiidile lisada orgaanilise lahusti ja vee segu. Vesi tagab metalli alkoksiidi hüdrolüüsi ning polümeriseerunud oksiidse võrgustiku moodustumise, millele järgneval kondensatsioonil moodustuvad M-O-M sidemed vastavalt eelmise alapunkti joonistel 1-3 näidatud viisidel. Erineva geomeetriaga produktide (pikad lineaarsed või hargnenud ahelatega polümeeriosakesed) saamiseks on võimalik hüdrolüüsi protsessi mõjutada vee ja alkoksiidi moolsuhte, alkoksiidi kontsentratsiooni, katalüsaatori kontsentratsiooni ja teiste parameetrite muutmise kaudu [24]. Vastavalt Partlow ja Yoldas e poolt välja pakutud skeemi järgi võib geeli saada kahel erineval viisil [25, 26]. Neist ühel juhul vähenevad osakeste vahelised kaugused solvendi eemaldamisel, kuni osakeste vahele hakkavad tekkima ristsidemed. Ristsidemete tekkides kasvab ka sooli viskoossus. Piisava ristsidemete arvu moodustumisel sool geelistub. Teisel juhul kestavad lahuse vananemisel hüdrolüüsi ja dehüdratatsiooni reaktsioonid kuni osakeste agregeerumiseni. Sellele järgneb polümerisatsiooni käigus võrgustiku moodustumine ja orgaaniliste rühmade väljatõrjumine soolist ning lõpuks geelistumine. Viimati kirjeldatud geel tõrjub endast välja ka emalahust, mille tulemusena ta geelistumise käigus kokku tõmbub. Geel erineb soolist materjali võrkstruktuuri tingitud elastsuse poolest. 13
Nagu juba öeldud, sõltub polümeerse geeli moodustumine tugevasti hüdrolüüsi- ja kondensatsioonireaktsioonidest. Seega on vajalik geeli saamiseks neid protsesse kontrollida. Enamasti kasutatakse selleks vee ja alkoksiidi moolsuhte varieerimist teatud ulatuses (näiteks 1-2 mooli vett 1 mooli alkoksiidi kohta). Vesi kiirendab hüdrolüüsi protsessi võrreldes kondensatsiooniga ning lahjendab lahust ja seega ka vähendab viskoossust. Polümerisatsioon viiakse üldiselt läbi katalüsaatori juuresolekul, milleks on happed (HCl) või alused. Seega peab jälgima lahuse ph taset. Reaktsiooni kulgemise kiiruse tõstmiseks võib tõsta ka keskkonna temperatuuri. Kolloidsete geelide põhiliseks saamisviisiks on kolloidsete soolide (oksiidide või hüdroksiidide soolid ja metallisoolad) geelistamine. On teada, et osakeste püsivuse määrab pinnapotentsiaal, mis sõltub lahuses olevatest ioonidest. Ioonide kontsentratsiooni suurendamine viib osakeste stabiilsuse vähenemiseni ning nende fluktuatsioonini. Enamuse oksiidide ja hüdroksiidide pinnapotentsiaal on madal. Paraku ei moodusta soole kõik oksiidid ja hüdroksiidid. Kontsentreeritud soolidest geelide saamiseks on kolm põhilist võimalust [27]: 1) Vee eemaldamine soolist 2) Stabiliseeriva aniooni neutraliseerimine 3) Ekstraktsiooniga happe eemaldamine Joonisel 3 on toodud mõned näited monoliitsetest geelmaterjalidest: Joonis 3. Sool-geel meetodil valmistatud monoliidid.fotod pärinevad internetist (pmc.polytechnique.fr ja www.sandia.gov) 14
2.5. Viskoossus ja voolavusomadused Viskoossuseks nimetatakse vedeliku omadust takistada tema osakeste liikumist üksteise suhtes. Kõige lihtsam on seda seletada laminaarse voolamise näitel, kus vedeliku kihid liiguvad erineva kiirusega. Kihtide vahel tekkiv hõõrdumine püüab takistada nende omavahelist liikumist. Mida suurem see takistav jõud on, seda viskoossem on vedelik [28]. SI süsteemis on viskoossuse ühikuks valitud selline viskoossus, mille korral kiiruse gradient 1 m/s ühe meetri kohta kutsub esile sisehõõrdejõu 1 N kihtide puutepinna 1 m 2 kohta (N*s/m 2 ). Väga sageli kasutatakse ka CGS süsteemi ühikut puaas (P) [29]. Vedelike omadusi ja kehade liikumist vedelikus uuris põhjalikult Iiri teadlane George Gabriel Stokes. Üks tema suurimaid saavutusi sellel alal oli kera liikumise kirjeldamine viskoosses vedelikus. Sellest tööst arenes välja viskoosseid vedelikke kirjeldav matemaatiline mudel, mille järgi kehale mõjuv takistusjõud F on võrdeline dünaamilise viskoossusega η, keha liikumiskiirusega v ja keha iseloomustava mõõtmega l. Kui tegemist on keraga, siis peame võrrandisse lisama ka kera iseloomustava võrdeteguri 6π. Seega Stokes i seadus vedelikus oleva kera kohta avaldub kujul: F 6 vr See seadus kehtib vaid väikeste Reynolds i arvude (Re) korral (väiksed kiirused ja väiksed kuuli mõõtmed). Re on dimensioonita suurus, mis avaldub kujul: Re vl Kus v tähistab voolamise keskmist kiirust, l voolu ristlõikele iseloomulikku suurust, ρ vedeliku tihedust ja η viskoossust. Kui esitada Reynolds i arv kujul: Re vl siis μ tähistab kinemaatilist viskoossust, mis avaldub suhtega: 15
kus ρ tähistab tihedust ja suurust η nimetatakse sisehõõrdeteguriks ehk dünaamiliseks viskoossuseks [30]. Reynolds i arvu abil saab hinnata kas tegemist on laminaarse või turbulentse voolamisega. Suurte Re väärtuste korral domineerib turbulentne voolamine, väikeste väärtuste korral laminaarne. Neid eristab teineteisest see, et turbulentse voolamise korral on vedeliku voolamise kiiruse muutus toru seina juures tunduvalt suurem kui laminaarse voolamise korral (joonis 3): Joonis 3. Laminaarse ja turbulentse voolamise võrdlus. Vedelikus olevale kuulile mõjub kolm jõudu (joonis 4): 1. Allapoole suunatud raskusjõud: (ρ kera tihedus, r kera raadius) F r 4 3 r3 g 2. Üleslükkejõud: (ρ 0 vedeliku tihedus) F ü 4 3 r3 0 g 16
3. Ülespoole suunatud takistusjõud: F t = 6πηvr Joonis 4. Vedelikus olevale kerale mõjuvad jõud. Kui kuul liigub vedelikus ühtlase kiirusega, siis on talle mõjuv raskusjõud tasakaalus üleslükkejõu ja takistusjõuga: 4 3 r3 g 4 3 r3 0 g 6 v 0 r Avaldades sellest viskoossuse, saame: 2 0 9 r2 g v 0 Antud valem kehtib vaid ideaalsel juhul ehk lõpmatu ulatusega vedelikus. Kui uuritav vedelik asub silindrilises anumas, siis on takistusjõud suurem, sest kuuli poolt mittemõjutatavad kihid ei asu enam lõpmata kaugel. Seega tuleb sellesse valemisse sisse viia väike täiendus: R on anuma raadius. 2 0 9 r2 g v 0 1 2 4 r R 17
2.6. Mikrotorude valmistamine Süsiniknanotorude avastamisest alates on torujate nano- ja mikrostruktuuride kasutamine imbunud mitmetesse teadusharudesse leides rakendust tahkisefüüsikas, keemias ja materjaliteaduses, mille alla kuuluvad nii mikro- kui nanotehnoloogia [31]. Mikroskoopiliste torujate struktuuride valmistamismeetodeid ja rakendusvaldkondi on põhjalikumalt uurima hakatud 1980-ndate aastate algusest alates. Tänaseks on neid edukalt sünteesitud kasutades selleks mitmeid põhimõttelt erinevaid meetodeid nagu näiteks ekstrusioon, tsentrifugaalvormimine, aatomkihtsadestus, aur-vedelik-tahkis süntees, füüsikaline aur-sadestus, keemiline aur-sadestus ning sool-geel protsess ja erinevate vormide ja abloonide kasutamine torujate struktuuride saamiseks. Sageli on aga mainitud meetodite puuduseks madal reprodutseeritavus või liigkõrge hind [32]. Kirjandusest võib leida viiteid erinevatest oksiididest (SiO 2, ZrO 2, TiO 2, MoO 3, Fe 2 O 3 jne.) valmistatud torude kohta ja ülevaateid nende valmistamise meetoodikate kohta. Mikrotorude sünteesitehnoloogiatest enim kasutust on leidnud nn. slurry tüüpi materjalide ektrusioon, sukelduspindamine (dip coating) ja erinevate vormide ning abloonide (template) kasutamine. Vormide kasutamine selles protsessis võimaldab teha erineva geomeetriaga torujaid struktuure. Kuid tuleb arvestada ka seda milliseid abloone kasutada, sest nende hilisem eemaldamine võib osutuda problemaatiliseks või isegi võimatuks. abloonidena on kasutatud näiteks siidiusside valmistatud siidi, DNA-d, poorseid membraane, CNT-d, orgaanilise geeli filamente, proteiine jne [33]. Kuna eelnevalt loetletud abloonid on kõik orgaanilist päritolu, siis ei tohiks nende eemaldamisega toru õõnsusest märkimisväärseid raskusi tekkida kuna orgaanika on võimalik sealt välja põletada. ablooni eemaldamine torust võib toimuda paralleelselt toru lõõmutamisega. See on vajalik toru materjali ebapüsiva struktuuri stabiliseerimiseks ja orgaanika eemaldamiseks. Lõõmutamise käigus kuumutatakse torujaid struktuure aeglaselt kuni 1500 ºC-ni, millele järgnev aeglane jahutamine suurendab toru materjali struktuuri püsivust. Selle protsessi käigus põleb toru seintest välja seal olev orgaanika, mille tulemusena vähenevad ka toru mõõtmed. On kindlaks tehtud, et mikroekstrusiooni meetodiga saadud torude mõõtmed võivad kõrgel temperatuuril lõõmutamise tulemusel väheneda kuni 22% [34, 35]. Lisaks paranevad ka materjali mehaanilised töödeldavusomadused [36]. Kuid lõõmutamisel on ka üks negatiivne külg. Kui toru seinad on liiga paksud või seal on palju orgaanikat, siis selle välja põlemisel 18
tekivad toru seinas kapillaarjõud. Nende jõudude suure erinevuse tõttu tekivad seintesse praod, misjärel võivad torud puruneda [37]. Mikrotorude sünteesil tuleb silmas pidada, kuidas neid torusid kasutama hakatakse. Seetõttu on väga oluline teada morfoloogia ja mikrostruktuuri vahelisi seoseid [36]. Üheks põhiliseks väljakutseks mikrotorude valmistamisel on torude sünteesi reprodutseeritavuse kontrolli alla saamine ning materjalile soovitud omaduste saavutamine [32]. Vastavaist uurimustest ilmneb, et erinevatel mikrotorude valmistamise tehnoloogiatel on torude lõplike omaduste ja mõõtmete suhtes teatud piirid. Kuid kõige suuremat mõju torude geomeetriale ja mikrostruktuurile ning seega ka nende omadustele avaldab lähteainete valik [36]. 2.7. Mikrotorude rakendused Mikrotorude rakendustest olulisimad on need, kus vastavad materjalid võimaldavad oluliselt vähendada seadmete mõõtmeid ning ka täiesti uut tüüpi lahendeid. Sõltuvalt kasutuseesmärkidest on võimalk toota konkreetse rakenduse jaoks kindlate karakteristikutega torusid, varieerides nende pikkuseid, diameetreid, lisandite sisaldust, seinte poorsust jne. Peamisteks mikrotorude rakendusvaldkondadeks on optika, elektroonika, meditsiin, energeetika ja mikroelektromehaanika [12]. Kuna oma olemuselt on torud seest õõnsad enamasti silindrikujulised struktuurid, siis nende spetsiifiline funktsioon sõltub seadmest milles neid kasutatakse. Tänapäeval on mikrotorud leidnud rakendust komposiitmaterjalide armatuuridena, mikro- ja nanopoorsete filtritena, mikrovedelik ja gaasiseadmetena, soojusvahetitena, pihustitena, mikropipettidena, vormidena, detektoritena, isolatsioonimaterjalidena, sensoritena, kütuseelementide elektroodimaterjalina, ekraanimaterjalidena, mikrokäsnadena, optiliste lainejuhtidena jne [16,17, 38,39]. Ka mikrotorusid võib vaadelda kui lisandeid mõnes muus materjalis. Viidates keraamiliste mikrotorude küllaltki suurele tugevusele võib neid kasutada kaalusäästvate armatuuridena komposiitmaterjalides. Mitte ainult komposiitmaterjale tugevdades vaid muutes samas ka nende elektrilisi ja magnetilisi omadusi, sõltuvalt lisanditest torude enda koostises. Armatuuri tugevust saab muuta varieerides torude seinte paksusi ning viies prekursorisse erinevaid lisandeid, sest mehaaniline tugevus sõltub ka torude mikrostruktuurist [10]. 19
Kattes toru sisemise ja välimise pinna mõne teise aine kihiga, on võimalik kasutada torusid mitmekihiliste elektrijuhtidena või keemiliste reaktsioonide läbiviimiseks. Kui toru täita mingit teist tüüpi materjaliga, saab seda kasutada sensorina, detektoritea või elemendina elektronkordistis [36]. Tänapäeval üheks enim kõneainet pakkunud teemaks on alternatiivsete ja keskkonnasõbralike energiaallikate arendamine. Selles valdkonnas on üheks kõige rohkem edu saavutanud uurimissuunaks SOFC-de ehk tahkeoksiidsete kütuseelementide välja töötamine, mis muudaksid keemiliste reaktsioonide energia elektrienergiaks. Nende energiatootlikkuse efektiivsuseks on hinnatud üle 70%, mis sisaldab nii elektrienergiat kui ka eralduvat soojusenergiat, ning süsinikdioksiidi emissiooni vähenemist 50% võrra [40]. SOFC-de arendamisel liigutakse paralleelselt kahes erinevas suunas planaarse ja toruja geomeetriaga struktuuride rakendamine elektroodimaterjalina. Neist viimase potentsiaalse elektroodimaterjalina nähakse just keraamiliste mikrotorude kasutamist. 20
3. EKSPERIMENTAALNE OSA Töö eesmärgiks oli torujate metalloksiidsete struktuuride valmistamine ja nende mikroskoopiline analüüs. Selleks viidi läbi järgnevalt loetletud katsed: 1. ZrO 2 torude lähteaine valmistamine. 2. Lähteaine voolavusomaduste uurimine. 3. Torude valmistamine. 4. Torude järeltöötlemine. 5. Torude prepareerimine SEM-i analüüsiks. 6. Torude rõhutaluvuse uurimine. 3.1. Kasutatud ainete füüsikalised karakteristikud Aine nimetus Aine valem Molekulmass, Tihedus kt, ºC g/mol g/ml (25 º C) Butanool C 4 H 9 OH 74.12 0.81 117.6 Vesi H 2 O 18.016 1 100 Tsirkoonium(IV)butoksiid Zr(OC 4 H 9 ) 4 383.68 1.049 81 Vesinikkloriidhape HCl 36.4609 0.909-85.06 Üttrium(IV)butoksiid Y(OC 4 H 9 ) 3 308.25 0.9 109 Heksaan C 6 H 14 86.1766 0.6548 69 Tabel 1. Andmed on pärit interneti leheküljelt: www.sigmaaldrich.com 3.2. Torude lähteainete valmistamine Kasutatud vahendid: Rootoraurusti Rotavapour R124 (Büchi, varustatud kaheastmelise membraanvaakumpumbaga ja elektroonilise vaakumkontrolleriga) Magnetsegaja Kaal 100 ml klaaskolb 21
100 ml klaaskolbi kaaluti 3 g (0,00782 mol) tsirkoonium(iv)butoksiidi, mis lahustati ~7 grammis kuivas butanoolis. Seejärel kaaluti ~7 g kuiva butanooli ja 0,140 g vesinikkloriidhapet ning segati need kokku. Saadud segu lisati tilkhaaval tsirkoonium- ja üttriumbutoksiidide segule. Protsess viidi läbi magnetsegajal. 100 ml klaaskolbi kaaluti 3,68 g (0,00782 mol) hafnium(iv)butoksiidi, mis lahustati ~7 grammis kuivas butanoolis. Seejärel kaaluti 7,082 g kuiva butanooli ja 0,140 g vesinikkloriidhapet ning segati need kokku. Saadud segu lisati tilkhaaval tsirkoonium- ja üttriumbutoksiidide segule. Protsess viidi läbi magnetsegajal. Üütriumi lisandamiseks tsirkooniumalkoksiidlähteainele tehti 0,213 g üütrium(iv) butoksiidist lahus ~7 g hekasaanis ja lisati see tsirkoonium(iv)butoksiidi ja kuiva buatnooli lahusele enne happestatud lahuse lisamist. Metallialkoksiididega töötamisel tuleb suurt tähelepanu pöörata sellele, et kõik kasutatavad solvendid, reagendid ja laborinõud oleksid veevabad kuna alkoksiidid on väga niiskustundlikud. Saadud segust aurustati rootoraurustiga solvent välja kuni kolvi põhja tekkis tahke aine. See lahustati mõnes milliliitris i-oktaanis, mis seejärel rootoraurustiga eemaldati kuni tekkis parajalt viskoosne vedelik, sobilik fiibrite tõmbamiseks. Lähteaine uurimiseks XRD analüüsi abil jäeti nad paariks päevaks lahtiselt õhu kätte seisma, et saada ühtlase struktuuriga pulbriline materjal. Materjalide kristalliseerimiseks kuumutati neid vastavat 1100 ja 1500 ºC-ni. Analüüsi tulemused on esitatud joonisel 5: 22
XRD: ZrO2 pulbrid ZrO 2 tetra. Calc ZrO 2 mono. Calc 1,000 500 0 1,000 500 ZrO 2 + 8% Y 2 O 3 + 1500 C ZrO 2 Intensity, cp5s 0 1,000 750 500 250 0 15 AXES 3.1 Prof 20 25 30 35 40 2θ (deg) 45 ZrO 2 + 8% Y 2 O 3 50 55 60 65 70 Joonis 5. Torude lähteaine XRD analüüsi tulemused. 3.3. Lähteainete voolavusomaduste uurimine Kasutatud vahendid: 5 ml plastiksüstlad Teraskuul diameetriga 2 mm Polümeerkile Stopper Nihik Kaal Viskoossuse määramiseks viidi uuritav aine plastiksüstlasse ja asetati sinna ka teadaoleva massi ja mõõtmetega teraskuul. Mõõdeti kuuli liikumise kiirust aine raskusjõu mõjul. Distantsi pikkused mõõdeti nihikuga ja liikumiseks vastav aeg stopperiga. Eelnevalt 23
oli kaaluga määratud nii süstla kui ka kuuli massid. Viskoossuse arvutamiseks rakendati Stokes i meetodit. Metoodika kalibreerimine on kirjeldatud Madis Paalo 2005 aastal kaitstud bakalaureusetöös [18]. 3.4. Torude valmistamine Torude sünteesiks sobivaima metoodika väljatöötamiseks katsetati viit põhimõtteliselt erinevat lähenemist lähteainete torujale kujule viimise osas. Katsete tulemused on esitatud tabelina (tabel 2). Erinevate metoodikate põhimõtteskeemid on toodud joonisel 6. Variant Toru saamine Toru pikkus (mm) Toru välimine diameeter (μm) Seinapaksus (μm) 1. - - - - 2. + ~20 ~60 1.5-20 3. - - - - 4. + ~30 ~200 ~20 5. - - - - Tabel 2. Torude valmistamismetoodikate võrdlus. Joonis 6. Erinevaid mikrotorude valmistamismeetodeid iseloomustav joonis. 24
Edasistes katsetes kasutatud torud saadi metoodikal nr 2. Ühtlasi osutus vastav metoodika kõige paremini reprodutseeruvaks. 3.5. Torude manipuleerimise tehnoloogia Kasutatud vahendid: Kvartsalused Puust hambatikud Alumiiniumfoolium Esmaseks vaatluseks tõsteti fiibrid/torud kergelt niisutatud hambaorgiga mikroskoobiklaasile. Selleks lähendati niisutatud hambaorgi ots fiibri/toru otsale ja tõstes püüti vältida järske liigutusi ning õhuvoolude liikumist, mis oleks uuritava objekti hambaorgi küljest lahti rebinud. 3.6. Torude järeltöötlus Kasutatud vahendid: Toruahi Nabertherm, maksimumtemperatuur 1800 º C Keraamilised kuumutusalused Fiibrite tõmbamisele järgnes ~1 nädala pikkune hüdrolüüsimine toatemperatuuril õhu keskkonnas. Fiibrite/torude tõstmiseks tiiglitesse kasutati eespool kirjeldatud manipuleerimise tehnoloogiat. Tiigli asetamisel ahju jälgiti, et tiigel satuks täpselt ahju töötsooni keskele. Ahju temperatuuri tõsteti 6 tunni jooksul ühtlaselt 1100 º C-ni ja hoiti seejärel püsivalt 2 tundi sellel maksimumtemperatuuril. Seejärel lasti ahjul vabalt jahtuma. Kuumutusprotsess teostati õhukeskkonnas. Sellise töötluse tulemuseks olid orgaanikast vabanenud, tihenenud, kristalliseerunud ja seetõttu olulise osa (~30%) oma mahust kaotanud torud. 25
3.7. Torude geomeetria mikroskoopiline analüüs Kasutatud vahendid: Optiline mikroskoop SEM Puust hambatikud Alumiiniumalused Mikroskoobiklaasid Kui fiibrite tekkimine on täheldatav visuaalse vaatlemise teel ilma abivahendeid kasutamata, siis torude uurimine on võimalik ainult mikroskoobi abil. Esmaseks torude uurimiseks kasutati optilist mikroskoopi. Uuritavad objektid tõsteti hambatikkudega mikroskoobiklaasile. Sellega tehti kindlaks kas uuritav objekt on toru või fiiber. Optilise mikroskoobiga saadud kujutised torudest on toodud joonisel 7: Joonis 7. ZrO 2 torud optilise mikroskoobi all. 26
Skaneeriva elektronmikroskoobiga (SEM) uuriti järeltöötluse läbinud torude geomeetriat. Torud liimiti alumiiniumalusele, et juhtida ära elektronkiirte poolt tekitatud laeng. Joonisel 11 on toodud SEM-ga saadud pilt mikrotorust: Joonis 11. SEM-ga saadud kujutis mikrotorust. 3.8. Torude rõhutaluvuse uurimine Kasutatud vahendid: Liim Ecobond Antud katse jaoks konstrueeritud seade Argooniballoon (rõhk balloonis 210 atm) Puust hambatikud Mikroskoop CCD kaamera Laualamp 27
Torude rõhutaluvuskatse läbiviimiseks konstrueeriti spetsiaalne aparaat, mille skeem on toodud joonisel 4. See ühendati ~210 atmosfäärise siserõhu all oleva argooniballooniga. Torud pikkusega 10 mm, välise diameetiga 40 μm ja sisemise diameetriga 20 μm võeti hambatikuga ja asetati rõhukatse seadmes ettenähtud pessa nii, et enamus torust jäi pesast välja (joonis 5). Toru liimimiseks kasutati Ecobond liimi. Liimimine tuli teostada väga ettevaatlikult, et vältida toru purunemist ja liimi sattumist toru õõnsusesse. Toru teine ots jäeti esialgu lahti veendumaks, et argoon torust läbi voolaks. Gaasi voolamise täheldamiseks asetati toru lahtise otsa alla veega täidetud keeduklaas. Balloonikraani avamisel hakkas gaas läbi toru voolama, tekitades vette meniski. Seda protsessi filmiti CCD kaameraga. Liimühenduse uurimine optilise mikroskoobi abil näitas, et liimimine oli teostatud korrektselt ja et toru ümber ei olnud ühtegi pragu, kust gaas oleks välja voolanud. Seega oli gaasi ainukeseks väljumiseks süsteemist toru sisemine õõnsus. Peale seda liimiti kinni ka toru teine ots. Optilise mikroskoobiga veenduti, et liim ei läheks toru õõnsusesse. Peale liimi kuivamist keerati lahti ballooni kraan. Toru alla oli jälle asetatud veega täidetud nõu, et fikseerida toru purunemine. Balloonis olnud 210 atmosääriga ei suudetud toru purustada. Joonisel 8 näidatakse kuidas uuritav toru on liimitud katseseadme külge. Rõhutaluvuseks konstrueeritud katseseadme üldine skeem on toodud joonisel 9. Joonis 8. Survekatse põhimõtteskeem. 28
Joonis 9. Metalloksiidsete torude survetaluvuse uurimiseks konstrueeritud katseseade 29
4. ARUTELU 4.1. Torude lähteaine valmistamine Vesinikkloriidhape käitub katalüsaatorina ja tema koostises olevat vett kasutatakse tsirkoonium(iv)butoksiidi polümeriseerimiseks. Lähteaine sünteesi saagis on 100 %-ne. 4.2. Viskoossus ja voolavusomadused Kuna uuritavat ainet on suuremates kogustes tülikas teha ja ta on väga tundlik õhuniiskuse suhtes, siis valiti viskoossuse määramiseks Stokes i metoodika, mis sobis antud tingimustes kõige paremini. Stokes i metoodika ei vaja ka keerulist aparatuuri. Vaja läheb vaid kindlate parameetritega kuuli, stopperit ja nihikut. Teades kuuli läbimõõtu, massi, tema läbivajumise vahemaad aines ja sellele vastavat aega, saab vastavaid valemeid rakendades arvutada aine viskoossuse. Varasemalt on Madis Paalo on oma bakalaureusetöös näidanud, et reeperaine mõõdetud viskoossus oli tema dokumentides toodud väärtusest ~20% madalam [18]. Kuigi meil on tegemist tsirkooniumalkoksiididega, võib arvata, et erinevuse suurusjärk on ligilähedaselt sama. Seega võib järeldada, et Stokes i meetod sobib viskoossuse hindamiseks. Stokes i meetodit rakendades saadi ainete viskoossusteks 400-1400 puaasi. Viskoossuse määramiseks vajalikud mõõtmised viidi läbi 5 ml plastiksüstlas. Väiksema süstla kasutamine ei ole viskoossuse määramiseks otstarbekas, sest kuul võib seal puutuda vastu süstla seina, mis mõjutaks tema liikumise kiirust aines. 4.3. Torude valmistamine Mikroskoopiliste torude saamiseks sobivad metoodikad nr. 2 ja 4. Kõige parema tulemuse andis metoodika nr. 2. Teiste metoodikate rakendamine osutus probleemseks. Metoodika nr. 1 puhul tõmmati toru kahest viskoossest ainest, milledest üks oli alkoksiid ja teine epoksüvaik. Probleemseks osutus epoksüvaigu eemaldamine tekkinud torust. Metoodika nr. 2 puhul ei olnud võimalik tekkinud torujat struktuuri klaaskapillaari küljest lõhkumata eemaldada. Metoodika nr. 5 kasutamine ei õnnestunud kuna toru geelistunud välispind kollapseerus torusisese alarõhu tingimustes. 30
4.4. Torude järeltöötlus Torude hüdrolüüs/polümerisatsioon on vajalik orgaaniliste jääkide eemaldamiseks materjalist. Hüdrolüüs tuleb viia läbi võimalikult aeglaselt, et vältida torude pragunemist. Eeskätt jämedamate torude pragunemist võib seletada hapraks muutunud materjali ruumala ebaühtlase kahanemisega, mis viib mehhaaniliste pingete tekkimiseni materjalis. Torud pragunevad kui tekkinud pinged ületavad torude materjali tugevuse. Torude kuumutamise eesmärgiks oli nende kristalliseerimine. Temperatuur valiti selliselt, et tekiks tetragonaalne kristallstruktuur, mis on antud aine jaoks kõige stabiilsem. Sobiva temperatuuri valikul lähtuti kirjanduses kasutatud temperatuuridest, mis on ligikaudu 1100-1500 º C. Kuumutamise käigus kuni 1100 ºC osa jämedamatest torudest purunes, mille üheks põhjuseks võib olla, et need sisaldasid veel küllaltki palju orgaanilisi lisandeid. Orgaanika esinemist torudes kinnitab ka fakt, et peale kuumutamist vähenesid torude mõõtmed märgatavalt (hinnanguliselt 10-20%). 4.5. Torude manipuleerimise tehnoloogia Puidust hambatikkude kasutamine torude manipuleerimisel oli kõige lihtsam viis nende tõstmiseks ühest kohast teise. See on seletatav adhesioonijõududega niisutatud hambatiku ja toru vahel. Samas on jõud nende vahel piisavalt nõrgad, et toru tervena tiku küljest eemaldada. Torude hoidmisel plastikust petri tassis tuleb silmas pidada seda, et tass oleks vooderdatud alumiiniumpaberiga, sest adhesioonijõud tassi materjali ja toru vahel on nii suured, et toru eemaldamine tassilt oleks peaaegu võimatu. 4.6. Torude geomeetria mikroskoopiline analüüs Optilist mikroskoopi kasutati torude saagikuse hindamiseks ning esmaseks geomeetria analüüsiks. Sellega saab määrata torude ligikaudse läbimõõdu ja pikkuse. Kuna torude läbipaistvus on väga hea, siis saab optilise mikroskoobiga suhteliselt hästi hinnata ka torude seinte paksust. 31
Torude seinte paksus varieerus vahemikus 1.5-30 μm. Üle 30 μm seinapaksusega torude esinemist ei täheldatud, mis tähendab, et paksema seinaga torud purunesid kuumutamise käigus ja seega neid ei esinenud SEM-i jaoks prepareeritud torude hulgas. Vaatlemisel ilmnes, et mõningate torude seinte sisemine osa on väga poorne. Pooride suurus väheneb toru seina pinnakihtides ja välimine pind on mittepoorne. 4.7.Torude rõhutaluvuse uurimine Tsirkooniumoksiidist torude rõhutaluvuseks saadi vahemalt ~210 atmosfääri, mis viitab materjali väga suurele tugevusele ja on seletatav aine klaasja-nanokristallilise struktuuriga. Sellest võib ka järeldada, et torude seinte materjalis esineb vähe defekte, mis nõrgestaksid materjali struktuuri. 32
5. KOKKUVÕTE Püstitatud tööeesmärk, metalloksiidmikrotorude sünteesiks sobiliku metoodika väljatöötamine ja saadud torude omaduste (geomeetria mikroskoopiline analüüs, temperatuuritaluvus, kristallstruktuur, rõhutaluvus) uurimine täideti täies mahus. Töö olulisemad tulemused on järgmised: Pakuti välja uudne metodika kõrgeid rõhke (vähemalt 210 atm.) ja temperatuure (vähemalt 1100 ºC) taluvate ZrO 2 gaasitihedate seintega mikrotorude sünteesiks. Torude tüüpilised mõõtmed olid järgnevad: pikkus kuni 2 cm; 10-70 mikronit; sisediameeter; 5-40 mikronit. Termilisel töötlusel kuni 1500 ºC omandavad ZrO 2 torud monokliinse nanokristalse struktuuri. Selgitati torude tekkemehhanismi. 33
6. JÄRELDUSED Töö tulemustest järeldub, et: Sool-geel metoodika on sobilik nanokristallilise struktuuriga metalloksiidsete mikrotorude valmistamiseks. Torude teke on seotud sooljoa pinnal kulgevate keemiliste (hüdrolüüs, polükondensatsioon) ja füüsikaliste (pinna tahkestumine, solventide aurustumine pinnalt, vee difusioon materjalis, ruumalakadu jne) protsessidega. Torudel on sobilikud omadused nende rakendamiseks kõrgtemperatuursetes ja kõrgetel rõhkudel töötavates mikrovedelik- ja mikrogaasirakkudes. 34
Käesoleva tööga avaldab autor tänu oma juhendajale Tanel Tättele. Samuti soovib autor tänada Ants Lõhmust abi eest katseseadmete konstrueerimisel ja erinevate tehniliste probleemide lahendamisel. Röntgendifraktsioonanalüüsi teostamise eest suured tänud Hugo Mändarile ja skaneeriva elektronmikroskoobiga mõõtmise juhendamise eest Tõnu Järveotsale. Veel tänab autor Füüsika Instituudi sõbralikku ja abivalmis kollektiivi. 35
7. SUMMARY Preparation and investigation of metal oxide microtubes. Marko Part The aim of this work was synthesis of metaloxide microtubes and investigation of their properties (crystal structure, pressure resistance, temperature endurance etc.). The main results of the work are: The novel method for preparation of gas resistant (up to 210 atm inner pressure) zirconia microtubes applicable at tempertures up to 1100 ºC was elaborated. Typical dimensiones of synthesised microtubes were: length up to 2 cm; outer diameter 10-70 micron; inner diameter 5-40 micron. Temperatural treatment at 1100 and 1500 ºC transform amorphous strtucture of zirconia microtubes into nanocrystalline with monoclinic crystalline phase. The formation of the tubes can be explained by surface processes (solidification and evaporation of solvents) of viscous jets and decrease of volume, viscosity and diffusion of water in the material. Materials have suitable properties for different high temperatural microfluidic (gasses and liquids) applications. Due to transparency, the materials could be applicabe also in photonics. 36
8. KASUTATUD KIRJANDUS [1]. Microtechnology. [Võrgumaterjal] Wikipedia. http://en.wikipedia.org/wiki/microtechnology. [2]. Charles P. Poole Jr., Franc J. Owens. Introduction to Nanotechnology. 2003 : A John Wiley and Sons, Hoboken. [3]. Rapid and contiuous hydrothrmal synthesis of metal and metal oxide nanoparticles with a microtube-reactor at 523 K and 30 MPa. Akiko Kawai-Nakamura, Toshiyuki Sato, Kiwamu Sue, Satoshi Tanaka, Kazunori Saitoh, Keiko Aida, Toshihiko Hiaki. Tokyo : Materials Letters, 2008. a., Kd. 62. [4]. Formation of Unstabilized and Yttria Stabilized ZrO2 Fibers from a Suspension of Monodispersed ZrO2. Kenji Shida, Yoko Suyama. 7, s.l. : Journal of the Ceramic Society of Japan, 2006. a., Kd. 114, lk 590-593. [5]. Marc de Graef, Michael E. McHenry. Structure of Materials. cambridge : Cambrigde University Press, 2007. lk 654. [6]. Haviland, David B. The Transistor in a Century of Electronics. Nobelprize. [Võrgumaterjal] 19. December 2002. a. http://nobelprize.org/educational_games/physics/transistor/history/. [7]. Ceramic. Wikipedia. [Võrgumaterjal] 2009. a. http://en.wikipedia.org/wiki/ceramic. [8]. Ephraim Suhir, Y.C. Lee, C.P. Wong. Micro- and Opto- Electronic materials and Structures. New York : Springer Science, 2007. [9]. Rahaman, Mohamed N. Sintering of Ceramics. Boca Raton : Taylor and Francis Group, 2008. [10]. Rohrer, Gregory S. Structure and Bonding in Cristalline Materials. Cambrige : Cambridge University Press, 2001. [11]. Anderson, T.L. fracture Mechanics. Boca Raton : Taylor and Francis, 2005. [12]. The A to Z of Materials. Zirconia. [Võrgumaterjal] Ceram Research Ltd. http://www.azom.com/details.asp?articleid=133. [13]. High tech ceramics in Japan: current and future markets. G.B. Kenney, H.K. Bowen. 5, Westerville : American Ceramic Society, 1983. a., Kd. 62, lk 590-596. 0002-7812. [14]. Nanocristalline tetragonal zirconium oxide stabilization at low temperatures by using rare earth ions Sm3+ and Tb3+. W. Cordova-Martinez, E. De la Roza-Cruz, L. A. Diaz- Torres, P. Salas, A. Montoya, M. Avendano, R. A. Rodriguez, O. Barbosa-Garcia. Leon : Optical Materials, 2002. a., Kd. 20. 37
[15]. N. Claussen, A.W. Urquhart. Directed oxidation of molten metals. [raamatu aut.] Mohamed N. Rahaman. Ceramic Processing. Oxford : Pergamon Press, 1990, lk 1-35. [16]. Wesley P. Hoffman, Kamleshwar Upadhya. The universal applications of microtubes and microtube composites. [17]. Preparation and characterization of fluorestsent microtubes with high length/diameter ratios. Maoquan Chu, Jiasheng Huang. Shanghai : Smart Materials and Structures, 2009. a., Kd. 18. [18]. Paalo, Madis. Sool-Geel-Meetodil Saadavate Tinaoksiidteravike Parameetrite Sõltuvus Valmistamistingimustest. Tartu : Tartu Ülikool, 2005. a. [19]. Schubert, U. Sol-Gel Processing of Metal Compounds. Comprehensive Coordination Chemistry 2. Wien : Elsevier Science, 2003, lk 629-656. [20]. Kessler, Vadim G. The Synthesis and Solution Stability of Alkoxide Precursors. [raamatu aut.] Hiromitsu Kozuka Sumio Sakka. [toim.] Sumio Sakka. Handbook of Sol-Gel Science and Technology. Osaka : Kluwer Academic Publishers, Kd. 1, 1, lk 3-41. [21]. Sol-gel technology as representative processing for nanomaterials: case studies on the starting solution. Sakka, Sumio. Osaka-Fu : Springer Science+Business Media, LLC, 2007. a. [22]. Flow characteristics and spinnability of sols prepared from silicon alkoxide solution. H. Kozuka, H. Kuroki, S. Sakka. s.l. : Journal of Non-christal Solids, 1988. a. [23]. Rheology of Sols and Fiber Drawing. S. Sakka, H. Kozuka. s.l. : Journal of Nonchristal Solids, 1988. a. [24]. Fibers from gels. S. Sakka, T. Yoko. s.l. : Journal of Non-christal Solids, 1992. a. [25]. Introduction and effects of structural variations in inorganic polymers and glass networks. Yoldas, B. E. 1, Pittsburgh : Journal of Non-Christalline Solids, 1982. a., Kd. 51, lk 105-121. [26]. Colloidal versus polymer gels and monolithic transformation in glass-forming systems. D. P. Partow, B. E. Yoldas. 2, Pittsburgh : Journal of Non-Christalline Solids, 1982. a., Kd. 46, lk 153-161. [27]. Reactivity of Solids. Dell, R. M. London : Chapman and Hall, 1972. a. [28]. Viskoossus. Vikipeedia. [Võrgumaterjal] 07. 05 2009. a. http://et.wikipedia.org/wiki/viskoossus. [29]. Saveljev, I. Füüsika üldkursus 1. Tallinn : Valgus, 1978. [30]. Reynolds number. wikipedia. [Võrgumaterjal] 19. 05 2009. a. http://en.wikipedia.org/wiki/reynolds_number. 38