В экспериментах использовали метод лежащей капли. Опыты по смачиванию вели на воздухе или в инертной атмосфере (аргон). При совместном нагреве образца и подложки.
Установлено, что жидкий Bi2O3 при температуре своего плавления полностью растекается по подложке из серебра. Это можно было ожидать, т.к. в системе Ag- Bi2O3 на воздухе образуется эвтектика, смещенная в сторону Bi2O3. В тоже время на Pt и Pd оксид висмута при своей температуре плавления образует конечные краевые углы смачивания в 33 и 28 градусов соответственно. На подложке Pt + 5 % Rh оксид висмута ведет себя так же, как и на чистой платине.
Застывшая пленка Bi2O3 после растекания по Ag имеет зеленоватый оттенок. Согласно рентгенофазового анализа она имеет структуру силленита. Проведенный нами анализ Bi2O3 после его контакта с Ag показал, что в нем содержится 4,8 ± 0,2 мас. % Ag.
Изменение цвета оксидной фазы и выпадение корольков висмута после контакта расплава Bi2O3 с Ta, Nb, W, Mo и Zr в инертной атмосфере происходит в течение нескольких минут вследствие протекания химической реакции. На основании этого было заключено о бесперспективности использования таких металлов в качестве тигельного материала для расплавов на основе Bi2O3.
Растекание расплавов Bi2O3-CuO на воздухе по Ag при температурах ликвидуса этой системы происходит достаточно быстро. В этом случае образуются малые краевые углы смачивания.
Анализ оксидов Bi2O3-CuO после их контактного взаимодействия с серебром свидетельствует о том, что с ростом содержания в расплавах CuO концентрация в них Ag уменьшается:
|
CCuO, мол. % |
0 |
3 |
6 |
12 |
15 |
20 |
|
CAg, мас. % |
4,8 |
4,0 |
4,2 |
3,8 |
3,7 |
3,3 |
На основании полученных результатов по взаимодействию расплавов Bi2O3-CuO с твердым серебром можно заключить, что в таких системах реализуется хорошая адгезия расплав - твердое.
Смачивание Ag расплавами Bi2O3-ZnO изучали на воздухе при содержании 4, 8, 12 и 14 мол. % ZnO при температурах ликвидуса. Растекание в данной системе характеризуется малыми углами смачивания и протекает за более короткое время, чем в системе Bi2O3-CuO. Изменение краевых углов смачивания во времени происходит практически для всех исследованных составов Bi2O3-ZnO. Можно допустить, что скорость растекания последних расплавов по подложке Ag лимитируется процессами, происходящими на периметре смачивания (возможно химической реакцией), а не процессами диффузии компонентов к зоне реакции, т.е. имеет место кинетический механизм растекания. Значение конечного краевого угла смачивания монотонно уменьшается с увеличением содержания ZnO в расплавах. На кривой Q = f(CZnO) нет различного рода экстремумов. Это согласуется с тем, что в данной области концентраций на диаграмме состояния системы Bi2O3-ZnO нет устойчивых соединений.
Смачивание подложки из монокристаллического кремния Si (111) жидким оксидом висмута при температуре плавления последнего изучали двух условиях: на воздухе и в инертной атмосфере.
На воздухе система Bi2O3-Si ведет себя подобно Bi2O3-SiO2, т.е. смачивание характеризуется образованием тонкой пленки, но уменьшение Q происходит за время большее, чем в системе Bi2O3-SiO2. Такое явление может быть связано с образованием оксидной пленки на поверхности кремния в процессе экспериментов на воздухе. Поэтому в конечном итоге растекание Bi2O3 происходит по тонной пленке SiO2, а не поверхности кремния.
В инертной атмосфере растекание Bi2O3-SiO2 по Si происходит более медленно. При контактном взаимодействии оксид висмута вступает в химическую реакцию с кремнием, который восстанавливает его до металла. На образце после проведения эксперимента отчетливо видны капли металлического висмута. Данное явление подобно тому, что наблюдали при взаимодействии жидкого Bi2O3 с рядом металлов.
Смачивание монокристаллического Ge (111) расплавом Bi2O3 исследовали на воздухе. Полученные результаты подобны таковым для системы Bi2O3-Si. Это объяснено схожими условиями проведения эксперимента: наличие оксидной пленки на поверхности германия, а также возможностью образования соединений Bi2O3 с GeO2.
На основании изложенного выше можно заключить, что расплавы на основе Bi2O3 характеризуются сильной адгезией как металлам, так и к полупроводникам.