Иммерсионное смачивание.

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Фотодиод, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

Различают 2 режима работы Фотодиод: фотодиодный, когда во внешней цепи Фотодиод содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи, в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители, диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Рисунок 1 Структурная схема фотодиода и схема его включения при работе в фотодиодном режиме: 1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток электромагнитного излучения; n и р - области полупроводника соответственно с донорной и акцепторной примесями; Е - источник постоянного тока; Rн - нагрузка.

Интегральной микросхемой, или сокращённо ИМС, называют монолитное изделие, предназначенное для исполнения функций заданного каскада или целой системы, компоненты которого соединены между собой определённым образом, и которые нельзя отделить один от другого демонтажными операциями.

По сути, микросхема объединяет в себе какую-то электронную схему, где все элементы (транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы) и электрические связи между ними конструктивно выполнены на одном кристалле. Поскольку размеры отдельных компонентов очень малы (микро- и нанометры), то на одном кристалле при современном развитии технологий, можно поместить более миллиона электронных компонентов.

Различают аналоговые микросхемы, которые непрерывно отслеживают и воздействуют на сигнал, и цифровые микросхемы, которые дискретно преобразуют и обрабатывают информацию. Микросхемы классифицируют по степени интеграции, которая равна логарифму от числа деталей n, размещённых в одной ИМС: k = ln n. По методу получения различают три вида ИМС: плёночные, полупроводниковые и гибридные.

В плёночных ИМС детали и соединения осуществляют путём получения плёнок малой толщины с различными свойствами, выполненных на подложке из не проводящего электрический ток материала. Плёночные микросхемы разделяют на две группы: на тонкоплёночные с толщиной плёнки менее 1 мкм и толстоплёночные с большей толщиной, часто составляющей порядка 20 мкм. Различие тонкоплёночных и толстоплёночных ИМС заключено не только в количественной толщине плёнок, но прежде всего в технологии их нанесения.

В полупроводниковых ИМС детали и соединения образованы специальными технологическими методами в кристалле полупроводника. Совмещённой называют такую полупроводниковую ИМС, в которой одна часть деталей выполнена методом тонкоплёночной, а другая часть – методом полупроводниковой технологии.

В гибридных ИМС, сокращённо называемых ГИС, резисторы и некоторые другие пассивные компоненты получают на диэлектрической подложке методом тонкоплёночной технологии, а дискретные бескорпусные активные компоненты располагают рядом на подложке и соединяют проволокой с контактными площадками.

Иммерсионное смачивание.

Обнаруженные в предыдущем разделе сложные зависимости θ – рН и обсуждавшиеся в связи с этим факторы, влияющие на форму этой зависимости, требуют дальнейших исследований с привлечением других методов. Одним из наиболее продуктивных методов изучения энергетики взаимодействия, как известно, является калориметрия. Взаимодействие поверхности твердого тела с жидкостями изучается с помощью теплот смачивания.

IV.1. Некоторые литературные данные по исследованию

теплот смачивания

По определению [15], теплота смачивания равна разности энтальпий границ раздела твердое тело – жидкость и твердое тело – вакуум. Теплоты смачивания обычно невелики и успехи в их изучении были достигнуты; относительно недавно [15], после изобретения прецизионных микрокалориметров [307].

Теплота смачивания (Q) обычно положительна и в зависимости от природы оксида изменяется в пределах от 0,1 до 1,0 Дж/м² [273,308-310]. Согласно литературным данным, теплоты смачивания кварца и силикатов довольно разнообразны. В работе [32] приводятся значения Q различных силикагелей и кварца порядка 0,10-0,25 Дж/м². В [310] наряду с величинами того же порядка для аморфного SiO₂ и аэросила приводится для кристаллического кварца величина 0,85 Дж/м². Это значение Q, по нашему мнению, сильно завышено из-за чрезвычайно малой удельной поверхности исследованного образца, что неизбежно приводило к большой погрешности при определении Q. Хили и Фюрстенау [308] приводят значение теплоты смачивания для α-кварца ~0,З5 Дж/м². Для других оксидов различия в теплотах смачивания, определенных разными авторами, также значительны. Для α-Al₂O₃ в [308] приведены значения Q 0,65 и 0,90 Дж/м². Теплоты смачивания SnO₂, приведенные в той же работе, составляют 0,40, 0,49 и 0,57 Дж/м². Такой значительный разброс результатов имеет место и для других оксидов. Расхождения имеющихся в литературе данных по теплотам смачивания, безусловно, связаны с различным состоянием и предварительной подготовкой поверхности оксидов перед измерением. В работе [310] обсуждается зависимость теплот смачивания от температуры предварительной обработки твердого тела (Т). Зависимость Q – Т для кремнезема и оксида титана имеет следующий вид. С увеличением температуры прогрева образца величина Q сначала увеличивается, проходит через максимум, а затем уменьшается. Теплота смачивания оксида алюминия и оксида тория с увеличением температуры до 600°C растет [273,310]. Сложность зависимостей Q – Т для различных оксидов связана со сложностью и обратимостью процессов дегидратации и регидратации на поверхности оксида, что обсуждалось ранее при описании поверхностей оксидов (раздел II).

Размер частиц также оказывает влияние на величину Q. Как указывается в [310], теплота смачивания одного и того же оксида с ростом удельной поверхности уменьшается. Такое уменьшение было найдено для TiO₂, SiO₂, Al₂O₃.

Было замечено, что с ростом удельной поверхности образца SiO₂ уменьшается его кристалличность. Авторы [310] считают, что разница в значениях Q связана с изменениями силового поля поверхности SiO₂, которые зависят от его кристалличности. Таким образом, на теплоту смачивания оксидов оказывает влияние не только способ предварительной подготовки поверхности, но и размер частиц, и степень аморфизации поверхности.

В работе [308] обсуждалась связь величины теплоты смачивания оксидов с величиной точки нулевого заряда поверхности. По мнению авторов [308], теплота (энтальпия) смачивания и величина ТНЗ являются двумя основными характеристиками границы раздела оксид – вода, поскольку величина теплоты погружения (смачивания) дает прямой путь к термодинамике границы твердое тело – жидкость, а данные по ТНЗ требуются для решения основного уравнения электрохимии поверхности. Целью работы было показать, что основа соотношения между ТНЗ и термодинамическими свойствами поверхности оксид – жидкость, получаемыми из калориметрии теплот погружения, состоит в разностях сил электростатического поля твердой поверхности, которое в свою очередь может быть соотнесено с параметрами кристаллической решетки оксидов.

Стандартное уменьшение свободной энергии , сопровождающее процесс погружения (смачивания) сухого эвакуированного твердого неорганического оксида, составляет

, (IV-1)

где – вклад общей свободной энергии погружения, обусловленный изменением границы (граница с вакуумом заменяется границей с жидкостью), а – вклад, обусловленный формированием ДЭС на поверхности.

Ограничивая процесс образования заряда на поверхности реакцией

МеО^– + 2Н⁺ ↔ МеОН₂⁺ (IV-2)

c константой равновесия K, авторы [308] получают уравнение

, (IV-3)

где – свободная энергия границы между жидкостью и её насыщенным паром, а W_A – работа адгезии жидкости к твердому телу.

Соответственно,

(IV -4)

Считая работу адгезии постоянной практически для многих оксидов, а величину ΔS_i меняющейся довольно незначительно, авторы [308] приходят к выводу, что

(IV-5 )

где ΔН_с – постоянная для серий оксид-вода, равная теплоте погружения оксида, ТНЗ которого находится при рН = 0.

Авторами было проведено сопоставление довольно большого количества литературных данных по ΔН_i и ТНЗ для оксидов с приблизительно одной и той же удельной поверхностью (~15 м²/г). Предварительная подготовка оксидов для калориметрических измерений проводилась при температуре 200°C и давлениях порядка 10^-5мм Hg. Результаты сопоставления показали, что для кристаллических оксидов за некоторым исключением экспериментальные данные довольно хорошо ложатся на прямую линию в координатах ΔН_i – ТНЗ с наклоном 4,606RТ для воды при 25°C, что подтверждает теоретические положения авторов [308].

Поскольку в настоящей работе исследуются процессы взаимодействия поверхности твердого тела с водными растворами электролитов, то, прежде чем перейти к рассмотрению экспериментальных данных по калориметрии смачивания водными растворами электролитов, необходимо остановится на некоторых вопросах термодинамики водных растворов.