Pasivasyon (kimya) - Passivation (chemistry)

Pasivasyon , fiziksel kimya ve mühendislikte, bir malzemenin çevre tarafından daha az kolay etkilenmesi veya aşınması için "pasif" hale gelmesi için kaplanması anlamına gelir. Pasivasyon, mikro kaplama olarak uygulanan, ana malzeme ile kimyasal reaksiyonla oluşturulan veya havada kendiliğinden oksidasyon ile oluşmasına izin verilen bir dış kalkan malzemesi tabakasının oluşturulmasını içerir . Bir teknik olarak, pasivasyon, korozyona karşı bir kalkan oluşturmak için metal oksit gibi koruyucu bir malzemeden hafif bir kaplamanın kullanılmasıdır . Mikroelektronik cihazların imalatı sırasında silikonun pasifleştirilmesi kullanılır . Suyun elektrokimyasal arıtımında pasivasyon, devre direncini artırarak arıtmanın etkinliğini azaltır ve bu etkinin üstesinden gelmek için tipik olarak aktif önlemler kullanılır, en yaygın olanı, kirlenme tabakasının sınırlı reddi ile sonuçlanan polaritenin tersine çevrilmesidir.

Havaya maruz kaldığında, birçok metal doğal olarak sert, nispeten inert bir yüzey tabakası, genellikle bir oksit ("doğal oksit tabakası" olarak adlandırılır) veya bir pasivasyon tabakası görevi gören bir nitrür oluşturur . Gümüş durumunda , koyu kararma , çevresel hidrojen sülfür ile reaksiyondan oluşan gümüş sülfürün pasifleştirme tabakasıdır . (Bunun aksine, demir gibi metaller, gevşek bir şekilde yapışan ve kolayca pul pul dökülerek daha fazla oksidasyona izin veren kaba gözenekli bir pas kaplaması oluşturmak üzere kolayca oksitlenir.) Oksitten oluşan pasivasyon tabakası, alüminyum için oda sıcaklığındaki havada daha fazla oksidasyonu ve korozyonu belirgin şekilde yavaşlatır , berilyum , krom , çinko , titanyum ve silikon (bir metaloid ). Hava ile reaksiyonla oluşturulan inert yüzey tabakası, silikon için yaklaşık 1.5 nm, berilyum için 1-10 nm ve titanyum için başlangıçta 1 nm kalınlığa sahiptir ve birkaç yıl sonra 25 nm'ye büyür. Benzer şekilde, alüminyum için birkaç yıl sonra yaklaşık 5 nm'ye büyür.

Yüzey pasivasyonu , modern elektronik için kritik olan ortak bir yarı iletken cihaz üretim sürecini ifade eder . Silisyum gibi yarı iletken bir yüzeyin inert hale getirilmesi ve hava veya diğer malzemelerle etkileşime girdiğinde yarı iletken özelliklerini değiştirmemesi işlemidir . Bu, tipik olarak , malzemenin ısıtıldığı ve oksijene maruz bırakıldığı termal oksidasyon ile elde edilir . Bir silikon yarı iletkende, bu işlem elektriğin yüzeyin altındaki iletken silikona güvenilir bir şekilde nüfuz etmesine ve elektriğin yarı iletken katmana ulaşmasını engelleyen yüzey durumlarının üstesinden gelmesine izin verir . Termal oksidasyon ile yüzey pasivasyonu, silikon teknolojisinin temel özelliklerinden biridir ve mikroelektronikte baskındır. Yüzey pasivasyon işlemi tarafından geliştirilen Mohamed M. atalla at Bell Labs 1950'lerin sonlarında. MOSFET'leri (metal oksit-yarı iletken alan etkili transistörler) ve silikon entegre devre yongalarını ( düzlemsel işlemle ) üretmek için yaygın olarak kullanılır ve yarı iletken endüstrisi için kritik öneme sahiptir . Yüzey pasivasyonu, güneş pili ve karbon kuantum nokta teknolojileri için de kritik öneme sahiptir .

mekanizmalar

Zamanla oksit tabakasının kalınlığının artışını yöneten mekanizmaların belirlenmesine çok ilgi duyulmuştur. Önemli faktörlerden bazıları ana metalin hacmine göre oksit hacmi, metal oksitten ana metale oksijen difüzyon mekanizması ve oksidin göreli kimyasal potansiyelidir. Mikro taneler arasındaki sınırlar, eğer oksit tabakası kristal ise, oksijenin alttaki oksitlenmemiş metale ulaşması için önemli bir yol oluşturur. Bu nedenle tane sınırları olmayan camsı oksit kaplamalar oksidasyonu geciktirebilir. Pasivasyon için gerekli ancak yeterli olmayan koşullar, Pourbaix diyagramlarında kaydedilir . Bazı korozyon önleyiciler uygulandıkları metallerin yüzeyinde pasivasyon tabakasının oluşmasına yardımcı olur. Çözeltilerde ( kromatlar , molibdatlar ) çözünen bazı bileşikler, metal yüzeylerde reaktif olmayan ve düşük çözünürlüklü filmler oluşturur.

Tarih

keşif

1800'lerin ortalarında, Christian Friedrich Schönbein , bir demir parçasının seyreltik nitrik aside yerleştirildiğinde çözüleceğini ve hidrojen üreteceğini keşfetti , ancak demir konsantre nitrik aside yerleştirilir ve daha sonra seyreltik nitrik aside geri döndürülürse, çok az veya herhangi bir reaksiyon gerçekleşmeyecektir. Schönbein birinci duruma aktif durum, ikincisine ise pasif durum adını verdi. Aktif demir pasif demire dokunursa tekrar aktif hale gelir. 1920'de Ralph S. Lillie, aktif bir demir parçasının pasif bir demir tele dokunmasının etkisini ölçtü ve "bir aktivasyon dalgasının tüm uzunluğu boyunca hızla (saniyede yüz santimetre) süpürdüğünü" buldu.

Yüzey pasivasyonu

Atalla pasifleştirme tekniği olarak da bilinen yüzey pasifleştirme işlemi, 1950'lerin sonlarında Mohamed M. Atalla tarafından Bell Telefon Laboratuvarlarında (BTL) geliştirildi. 1955 yılında Bell Telephone Laboratories'de (BTL) Carl Frosch ve Lincoln Derick yanlışlıkla silikon dioksitin (SiO 2 ) silikon üzerinde yetiştirilebileceğini keşfettiler . Oksit tabakasının bazı katkı maddelerinin silikon gofrete girmesini engellediğini, diğerlerine izin verdiğini ve böylece oksidasyonun yarı iletken yüzey üzerindeki pasifleştirici etkisini keşfettiğini gösterdiler . 1950'lerin sonunda, Atalla ayrıca bir oluşumu keşfedilmiştir termal yetiştirilen SiO 2 tabaka büyük ölçüde konsantrasyonunu düşük silikon yüzey elektronik durumları ve SiO önemli kalite keşfettik 2 filmlerin elektriksel özelliklerini korumak için p-n kavşaklar ve bu elektriksel özelliklerin gazlı ortam ortamı tarafından bozulmasını önleyin. Silikon yüzeyleri elektriksel olarak stabilize etmek için silikon oksit katmanlarının kullanılabileceğini buldu . Termal olarak büyütülen oksitlerin mekanizmasını inceleyen JR Ligenza ve WG Spitzer, Atalla ve Kahng'ın bulgularını kullanarak yüksek kaliteli bir Si/ SiO 2 yığını üretmeyi başardılar. Atalla , elektriğin aşağıdaki iletken silikona güvenilir bir şekilde nüfuz edebilmesi için bir silikon levhanın yalıtkan bir silikon oksit tabakasıyla kaplanmasını içeren yeni bir yarı iletken cihaz imalat yöntemi olan yüzey pasivasyon sürecini geliştirdi . Atalla, bir silikon levhanın üzerine bir silikon dioksit tabakası büyüterek , elektriğin yarı iletken tabakaya ulaşmasını engelleyen yüzey durumlarının üstesinden gelmeyi başardı . Yüzey pasivasyon işlemi için, silikon yarı iletken teknolojisinde bir atılım olan termal oksidasyon yöntemini geliştirdi .

Entegre devre çiplerinin geliştirilmesinden önce , ayrık diyotlar ve transistörler , tek kristal silikon yüzeyindeki büyük tuzak yoğunluğunun neden olduğu, nispeten yüksek ters yönlü bağlantı sızıntıları ve düşük arıza voltajı sergiledi . Atalla'nın yüzey pasivasyon işlemi bu soruna çözüm oldu. Bir p-n bağlantısının yüzeyi kestiği yerde silikon yüzeyinde ince bir silikon dioksit tabakası büyüdüğünde, bağlantının kaçak akımının 10'dan 100'e düştüğünü keşfetti. Bu, oksidin azaldığını ve azaldığını gösterdi. arayüzey ve oksit tuzaklarının çoğunu stabilize eder. Silikon yüzeylerin oksit-pasivasyonu, diyotların ve transistörlerin önemli ölçüde geliştirilmiş cihaz özellikleriyle üretilmesine izin verirken, silikonun yüzeyi boyunca sızıntı yolu da etkili bir şekilde kapatıldı. Bu, düzlemsel teknoloji ve entegre devre yongaları için gerekli olan temel izolasyon yeteneklerinden biri haline geldi .

Atalla bulgularını ilk olarak 1957'de BTL notlarında yayınladı, 1958'de Elektrokimya Derneği toplantısında çalışmasını sunmadan önce. Mayıs 1959. Fairchild Semiconductor mühendisi Chih-Tang Sah'a göre , Atalla'nın ekibi tarafından geliştirilen yüzey pasivasyon süreci, silikon entegre devrenin geliştirilmesine yol açan "izi ateşledi". Atalla yüzey pasivasyonu yöntem 1959 yılında birçok önemli buluşları için baz olarak: MOSFET Atalla tarafından (MOS transistörü) Dawon Kahng Bell Labs, en düzlemsel işlemi ile Jean hoerni de Fairchild Semiconductor ve monolitik entegre devre tarafından çip Robert Noyce'la Fairchild de 1960'ların ortalarında, Atalla'nın oksitlenmiş silikon yüzeylere yönelik işlemi, neredeyse tüm entegre devreleri ve silikon aygıtları imal etmek için kullanıldı.

Gelen güneş pili teknolojisi, yüzey pasivasyon için kritik güneş pili verimliliği . Gelen Karbon kuantum nokta (CQD) teknolojisi, CQDs küçük karbon nano partiküller (az 10 nm yüzey pasıvasyonuna bazı formu ile boyut olarak).

Spesifik malzemeler

Alüminyum

Alüminyum doğal olarak , birçok ortamda korozyona veya daha fazla oksidasyona karşı fiziksel bir bariyer oluşturan oksidasyon adı verilen bir işlem yoluyla atmosferdeki oksijenle temas ettiğinde ince bir alüminyum oksit yüzey tabakası oluşturur. Ancak bazı alüminyum alaşımları oksit tabakasını iyi oluşturmazlar ve bu nedenle korozyona karşı korunmazlar. Belirli alaşımlar için oksit tabakasının oluşumunu arttırmaya yönelik yöntemler vardır. Örneğin, hidrojen peroksiti bir alüminyum kap içinde depolamadan önce kap, seyreltik bir nitrik asit ve deiyonize su ile dönüşümlü olarak peroksit çözeltisi ile durulanarak pasifleştirilebilir . Nitrik asit ve peroksit karışımı , kabın iç yüzeyindeki tüm yabancı maddeleri oksitler ve çözer ve deiyonize su, asit ve oksitlenmiş yabancı maddeleri durulayarak uzaklaştırır.

Genel olarak, alüminyum alaşımlarını pasifleştirmenin iki ana yolu vardır ( kaplama , boyama ve diğer bariyer kaplamaları hariç ): kromat dönüşümlü kaplama ve anotlama . Alclading olan metalurjik olarak bağlar, farklı temel alüminyum alaşımına saf alüminyum ya da alaşım ince tabakalar, kesinlikle pasifleştirilmesi değildir baz alaşımı. Bununla birlikte, kaplanmış alüminyum tabaka, oksit tabakasını kendiliğinden geliştirecek ve böylece baz alaşımı koruyacak şekilde tasarlanmıştır.

Kromat dönüştürme kaplaması, yüzey alüminyumunu 0,00001–0,000004 inç (250–1.000 nm) kalınlığında bir alüminyum kromat kaplamaya dönüştürür. Alüminyum kromat dönüşüm kaplamaları, su ile hidratlanmış jel benzeri bir bileşim ile yapı olarak amorftur. Kromat dönüşümü, yalnızca alüminyumu değil, çinko , kadmiyum , bakır , gümüş , magnezyum ve kalay alaşımlarını da pasifleştirmenin yaygın bir yoludur .

Eloksal, daha kalın bir oksit tabakası oluşturan elektrolitik bir işlemdir. Anodik kaplama hidratlı alüminyum oksitten oluşur ve korozyona ve aşınmaya karşı dirençli olarak kabul edilir. Bu bitiş, diğer işlemlerden daha sağlamdır ve ayrıca diğer iki işlemin sağlayamayacağı elektrik yalıtımı sağlar .

Demirli malzemeler

Temperleme renkleri, çelik ısıtıldığında üretilir ve yüzeyde ince bir demir oksit filmi oluşur. Renk, çeliğin ulaştığı sıcaklığı gösterir, bu da bunu ince film girişiminin en eski pratik kullanımlarından biri haline getirir.

Çelik de dahil olmak üzere demirli malzemeler, oksidasyonu ("pas") teşvik ederek ve daha sonra fosforik asit kullanarak oksidasyonu bir metalofosfata dönüştürerek ve ayrıca yüzey kaplaması ile korunarak bir şekilde korunabilir. Kaplanmamış yüzey suda çözünür olduğundan, tercih edilen bir yöntem, yaygın olarak parkerize etme veya fosfat dönüştürme olarak bilinen bir işlemle manganez veya çinko bileşikleri oluşturmaktır . Daha eski, daha az etkili ancak kimyasal olarak benzer elektrokimyasal dönüşüm kaplamaları , tarihsel olarak mavileşme veya esmerleşme olarak bilinen siyah oksitlemeyi içeriyordu . Sıradan çelik bir pasifleştirici tabaka oluşturan bir alkali olarak, alan demiri yapar beton .

Paslanmaz çelik

Soldaki bağlantı pasifleştirilmemiş, sağdaki bağlantı pasifleştirilmiştir.

Paslanmaz çelikler korozyona dayanıklıdır, ancak tamamen paslanmaya karşı dayanıklı değildirler. Korozyona dayanıklı çeliklerde yaygın bir korozyon modu, yüzeydeki küçük noktaların paslanmaya başlamasıdır, çünkü tane sınırları veya gömülü yabancı madde parçaları (öğütme talaşı gibi ) su moleküllerinin alaşımlamaya rağmen bu noktalardaki demirin bir kısmını oksitlemesine izin verir. krom . Buna rouge denir . Bazı paslanmaz çelik kaliteleri özellikle aşınmaya karşı dirençlidir; onlardan yapılan parçalar bu nedenle mühendislik kararlarına bağlı olarak herhangi bir pasivasyon adımından vazgeçebilir.

Tüm farklı spesifikasyonlar ve türler arasında ortak olan aşağıdaki adımlardır: Pasivasyondan önce, nesne herhangi bir kirleticiden temizlenmelidir ve genellikle yüzeyin 'temiz' olduğunu kanıtlamak için bir doğrulama testinden geçmelidir. Nesne daha sonra müşteri ve satıcı arasında belirtilen yöntem ve tipin sıcaklık ve kimyasal gereksinimlerini karşılayan asidik bir pasifleştirme banyosuna yerleştirilir. Nitrik asit, paslanmaz çelik için pasifleştirici bir asit olarak yaygın olarak kullanılırken, sitrik asit, işlenmesi çok daha az tehlikeli, daha az toksik ve biyolojik olarak parçalanabilir olduğundan, bertarafı daha az zorlaştırdığından popülerlik kazanmaktadır. Pasifleştirme sıcaklıkları, ortam sıcaklığından 60 derece C veya 140 derece F'ye kadar değişebilirken, minimum pasivasyon süreleri genellikle 20 ila 30 dakikadır. Pasivasyondan sonra parçalar bir sulu sodyum hidroksit banyosu kullanılarak nötralize edilir , ardından temiz su ile durulanır ve kurutulur. Pasif yüzey, nem, yüksek sıcaklık, paslanma maddesi (tuz spreyi) veya üçünün bir kombinasyonu kullanılarak doğrulanır. Pasivasyon işlemi, eksojen demiri uzaklaştırır, daha fazla oksidasyonu ( pas ) önleyen pasif bir oksit tabakası oluşturur/geri yükler ve parçaları kir, kireç veya diğer kaynak kaynaklı bileşiklerden (örneğin oksitler) temizler.

Pasivasyon süreçleri genellikle endüstri standartları tarafından kontrol edilir, bugün aralarında en yaygın olanı ASTM A 967 ve AMS 2700'dür. Bu endüstri standartları genellikle, müşteriye ve satıcıya bırakılan belirli yöntem seçimi ile kullanılabilecek birkaç pasivasyon sürecini listeler. "Yöntem" ya nitrik asit bazlı pasifleştirme banyosu ya da sitrik asit bazlı banyodur, bu asitler kromu korurken yüzeydeki demiri ve pası giderir. Her yöntemin altında listelenen çeşitli 'tipler' asit banyosu sıcaklığı ve konsantrasyonundaki farklılıklara atıfta bulunur. Sodyum dikromat , genellikle nitrik bazlı asit banyolarının belirli 'türlerinde' kromu oksitlemek için bir katkı maddesi olarak gereklidir, ancak bu kimyasal oldukça zehirlidir. Sitrik asit ile, sadece parçayı durulayıp kurutmak ve havanın onu oksitlemesine izin vermek veya bazı durumlarda başka kimyasalların uygulanması, yüzeyin pasivasyonunu gerçekleştirmek için kullanılır.

Bazı havacılık ve uzay üreticilerinin ürünlerini pasifleştirirken ulusal standardı aşan ek yönergelere ve düzenlemelere sahip olmaları nadir görülen bir durum değildir. Çoğu zaman, bu gereksinimler Nadcap veya başka bir akreditasyon sistemi kullanılarak basamaklandırılacaktır . Paslanmaz çeliğin pasivasyonunu (veya pasif durumunu) belirlemek için çeşitli test yöntemleri mevcuttur. Bir parçanın pasifliğini doğrulamak için en yaygın yöntemler, paslanmaya neden olması amaçlanan bir süre yüksek nem ve ısı kombinasyonudur. Pasivasyonu ticari olarak doğrulamak için elektro-kimyasal test cihazları da kullanılabilir.

Titanyum

Eloksal titanyum için voltaj ve renk ilişkisi.

Titanyum, titanyum oksitten bir pasivasyon tabakası üretmek için anodize edilebilir . Diğer birçok metalde olduğu gibi , bu katman , metal yüzeyin renkli görünmesini sağlayan ince film girişimine neden olur ve pasivasyon katmanının kalınlığı üretilen rengi doğrudan etkiler .

Nikel

Nikel florürden oluşan bir pasivasyon tabakasının oluşması nedeniyle, elementel florin işlenmesi için nikel kullanılabilir . Bu gerçek, su arıtma ve kanalizasyon arıtma uygulamalarında faydalıdır .

Silikon

Mikroelektronik ve fotovoltaik alanında yüzey pasivasyonu genellikle bir silikon dioksit kaplamasına oksidasyon yoluyla uygulanır . Pasivasyonun güneş pillerinin verimliliğine etkisi %3-7 arasında değişmektedir. Pasivasyon, 1000 °C'de termal oksidasyon ile gerçekleştirilir. Yüzey direnci yüksek, >100 Ωcm.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma