Электролит для получения рениевых пленок Российский патент 2021 года по МПК C25D3/54 

Изобретение относится к области синтеза наноматериалов, в частности к получению тонких пленок рения электролизом хлоридных водных растворов. Тонкие рениевые пленки, нанесенные на различные подложки, могут использоваться в качестве подслоя для высокотемпературной гальванопластики и являются перспективным материалом для производства полупроводниковых элементов, использующихся в аэрокосмической технике, радиотехнике, электронике и других областях.

Известен сернокислый электролит /1/ для синтеза рениевых пленок электролизом. Электролит представляет собой водный раствор H₂SO₄ (pH 2), содержащий добавку сульфата натрия и использующийся при комнатной температуре. Недостатком данного электролита является то, что он содержит добавку сульфата натрия, которая необходима для поддержания должной электропроводности электролита. Это делает электролит более ресурсоемким. Кроме того использование H₂SO₄ в составе электролита повышает экологическую нагрузку. Согласно ГН 2.2.5.1313-03 от 30.04.2003 серная кислота относится ко 2 классу опасности с предельно допустимой концентрацией в области рабочей зоны 1 мг/м³.

Наиболее близким техническим решением (прототипом), позволяющим выделить фазу рения является солянокислый электролит осаждения /2/. Он представляет собой 10 % водный раствор HCl (pH 2.5), содержащий хлориды щелочных и/или щелочноземельных металлов и растворенные сульфиды рения. Данный электролит осаждения рения используют в диапазоне температур 50–105°. Недостаток солянокислого электролита заключается в том, что для поддержания стабильного электрохимического процесса получения рения необходимо сохранять высокую температуру, что приводит повышению энергозатрат. Кроме того, повышенная температура (особенно в диапазоне 80–105°) вызывает интенсивное испарение компонентов электролита, что приводит к необходимости частой корректировки состава и контроля pH, а также к повышенной экологической нагрузке. Особенностью, дополнительно усложняющей электролит, является наличие в составе хлоридов щелочных и/или щелочноземельных металлов. Дополнительные компоненты в составе приводят к удорожанию электролита.

Технической задачей изобретения является снижение ресурсоемкости электролита, температуры процесса, экологической нагрузки и, как следствие, повышение технико-экономических показателей процесса электролиза тонких пленок рения.

Указанная задача достигается тем, что в качестве электролита для получения тонких рениевых пленок применяется водный раствор содержащий: HCl 200–350 г/л и соединение рения 0,5–10 г/л в пересчете на металл.

Техническим результатом является создание электролита, пригодного к использованию для получения тонких пленок рения электролизом в температурном диапазоне 20–48°. Заявляемый электролит можно охарактеризовать, как решение, в котором воплощены преимущества использования солянокислого раствора: отсутствует необходимость введения дополнительных добавок, реализован низкий диапазон температур эксплуатации электролита, снижена ресурсоемкость и экологическая нагрузка. Демонстрацией технического результата является получение тонких пленок рения и стабильность электролита по концентрации ионов рения в нем в течение электролиза. Применимость вышеизложенных параметров была проверена экспериментальным путем в рамках исследования по получению рениевых пленок на поверхности катода.

Для подтверждения возможности реализации изобретения и достижения заявленного технического результата рассмотрим примеры осуществления изобретения (см. Таблицу).

Пример 1. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (200 г/л), содержащей 0,501 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 0,1 А/см² и температуре 25°, в течение 55 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 0,500 г/л рения в пересчете на металл.

Пример 2. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (200 г/л), содержащей 0,511 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 0,1 А/см² и температуре 20°, в течение 56 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 0,511 г/л рения в пересчете на металл.

Пример 3. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (200 г/л), содержащей 2,512 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 0,1 А/см² и температуре 48°, в течение 30 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 2,512 г/л рения в пересчете на металл.

Пример 4. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (300 г/л), содержащей 7,500 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 0,2 А/см² и температуре 40°, в течение 25 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 7,500 г/л рения в пересчете на металл.

Пример 5. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (300 г/л), содержащей 10,080 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 1 А/см² и температуре 25°, в течение 20 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 10,079 г/л рения в пересчете на металл.

Пример 6. Электрохимическое получение рениевого слоя проводят в водном растворе соляной кислоты (350 г/л), содержащей 5,001 г/л рения в пересчете на металл. Электролиз ведут при плотности тока 0,2 А/см² и температуре 25°, в течение 45 минут. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на катоде выделяется фаза рения в виде равномерно распределенной по поверхности тонкой пленки. Концентрация рения в электролите после проведения электролиза составляет 5,001 г/л рения в пересчете на металл.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают возможность достижения технического результата совокупностью существенных признаков, характеризующих заявленный электролит. Электролит пригоден для получения тонких пленок рения при сниженной температуре электролиза в диапазоне 20–48°. При этом использование водного раствора соляной кислоты в диапазоне концентраций 200–350 г/л и отсутствие необходимости введения дополнительных добавок приводит к снижению экологической нагрузки. Кроме того, стабильность электролита по концентрации ионов рения, экспериментально выявленная до и после процесса электролиза, снижает ресурсоемкость электролита. Совокупность этих факторов значительно повышает технико-экономические показатели процесса электролиза тонких пленок рения за счет снижение ресурсо- и энергозатрат.

Источники:

1. Исследование электроосаждения тонких пленок рения методами электрохимического пьезокварцевого микровзвешивания и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (Study of the electrodeposition of rhenium thin films by electrochemical quartz microbalance and X-ray photoelectron spectroscopy) // Thin Solid Films. – 2005. – № 483. – P. 50–59.

2. Патент US 3755104, публ. 28.08.1973.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для получения тонких рениевых пленок, которые после нанесения на различные подложки могут быть использованы в качестве подслоя для высокотемпературной гальванопластики, для производства полупроводниковых элементов, использующихся в аэрокосмической технике, радиотехнике, электронике и других областях. Электролит состоит из водного раствора, содержащего, г/л: HCl 200-350 и соединение рения в пересчете на металл 0,5-10,0. Технический результат: отсутствует необходимость введения дополнительных добавок, реализован низкий диапазон температур эксплуатации электролита, снижены ресурсоемкость и экологическая нагрузка. 1 табл., 6 пр.

Электролит для получения рениевой пленки, состоящий из водного раствора, содержащего, г/л: HCl 200-350 и соединение рения в пересчете на металл 0,5-10,0.