4.2 Алтын қабықшаларын фотохимиялық әдіспен диэлектрлі беттерге қондыру және зерттеу

Фотохимиялық реакция диэлектриктің беткі қабатында хлорлы алтын ерітіндісінің сорбциялық қабатында жүреді. Аталмыш жүйеде мүмкін болатын реакцияға алтынның бір валентті иондарының түзілуі жатады.

2Au³⁺ + 2 H₂O =2 Au⁺ + O₂ + 4 H⁺. (4.7)

Термодинамикалық тұрғыдан бұр реакция мүмкін, себебі

Au³⁺ +2e = Au⁺ E^o = 1.401B, (4.8)

реакциясының стандартты потенциалы:

O₂ + 4 H⁺ +4e = 2 H₂O E^o = 1.229 B. (4.9)

мына реакцияның стандартты потенциалынан оң.

Қалыпта жағдайларда (1) реакцияның бағыты сол жаққа қарай ығысқан, сондықтан AuCI, оттегі және НCI бөлінуі байқалмайды.

Сорбциялық қабаттың кебуіне қарай AuCI₃ концентрациясы ұлғаяды, бұл өз кезегінде үш валентті алтынның тотықтырғыштық қасиеттерін арттырады. Осы орайда аталмыш ортада аз еритін бір валентті алтынның түзілуіне әкелетін реакцияның жүру мүмкіншілігі артады.

Сонымен қатар, сорбциялық қабаттың кристалдану орталығы ретіндегі қатты фазалы беткі қабатпен түйісуі AuCI қатты фазалы қабаттың пайда болуын жеңілдетеді.

Алтынның (І) хлориді жартылай өткізгіштік қасиеттерге ие және сондықтан жарықпен әсер еткенде фотохимиялық реакцияның орын алуы мүмкін болады.

3AuCl AuCl₃ + 2Au. (4.10)

Бұл фотохимиялық реакцияның жүруі 1 реакция тепе-теңдігін ығыстырады және реакцияның жалпы түрі келесідей:

2AuCl₃ + 3H₂O→ 2Au + 3/2О₂ + 6НCl. (4.11)

Диэлектриктерді фотохимиялық алтындаудың сызбасы 4.6 суретке сәйкес келтірілген. Мұнда диэлектрлі материалдың беткі қабатына шайылғыштық қасиетін беру үшін гальванотехникада белгілі әдістерді қолданады. Кейіннен оны 1-3 мин уақытқа хлорлы алтынның 1-20 г/л ерітіндісіне батырады [157]. Мұнда бұйымның беткі қабатында хлорлы алтынның сорбциялық қабаты 4.6а суретке сәйкес түзіледі.

Сурет 4.6 - Диэлектриктердің фотохимиялық алтындаудың сызбасы

Күн сәулелерінің әсер етуі 4.6б суретке сәйкес диэлектриктердің бетіне екі еселік әсер етуге әкеледі: әуелгісі сорбциялық қабат кебуінің жылдамдауы және екіншісі фотохимиялық реакцияның жүруі. Бірінші үрдісте хлорлы алтын ерітіндісінің қоюлануы жүреді, бұл өз кезегінде кристалдану орталығының негізі боластын диэлектриктің қатты фазалы беткі қабатында кристалдануға мүмкіндік беретін AuCI түзілуін 4.6в суретке сәйкес мүмкін етеді.

Күн сәулесінің әсерінен түзілуші AuCI жартылай өткізгіштік кристалдарында металдық алтынның түзілуі мен оттегінің бөлінуі 4.6г суретке сәйкес жүреді [157].

Кебу үрдісіне қарай жартылай өткізгіштің аймағы адсорбциялық қабаттың сыртқы бөлігіне қарай ығысады және қабаттың алтынмен толтырылуы орын алады. Металдық алтынның түзілу үрдісі жартылай өткізгіштегі электрондар мен «тесіктердің» көшуімен анықталады. Фотохимиялық реакцияның жүруі нәтижесінде диэлектриктің беткі қабатына әртүрлі тотықсыздандырғыштар тұздарының ерітінділерінен алынған алтынға тән қара түсті қаптама төселеді.

Қаптаманың толық кебуі кезінде қаптаманың сыртқы қабаты тотықсыздандыру реакциясына түспеген алтын хлориді мен НCI секілді аралық өніммен 4.6е суретке сәйкес қапталған. Бұл заттар суда ерімтал және сумен 4.6ж суретке сәйкес шайылады. Осылайша, жоғарыда көрсетілген үрдістерді жүргізу арқылы диэлектрлі материалдың беткі қабатында алтын қаптамасы алынады [158].

Қаптама қалыңдығы хлорлы алтынның сорбциялық қабаттағы концентрациясына байланысты. Осылай, 1-20 г/л концентрация кезінде қаптама қалыңдығы шамамен 10 нм – 0,2 мкм құрайды.

Мақта-қағазды мата үлгісін 3 минутқа құрамында 10 г/л AuCI₃ бар ерітіндіге батырады. Кейіннен шайқау арқылы хлорлы алтын ерітіндісін артық мөлшерін жояды. Осыдан соң үлгіні күннің жарық сәулесімен кептіреді. Мұнда кейбір бөлек аймақтарды полимерлі материалдан жасалған күңгірт тығырықпен 4.7 суретке сәйкес экрандайды.

Cурет 4.7 - Экрандаушы тығырығы бар мақта-қағазды мата үлгісі: күн сәулесімен жарықтандырғанда (а) және тығырықты алып тастағанда (б)

Үлгінің толық кебуі кезінде қара түсті қаптама тек жарықтандырылған аймақтарда ғана 4.7 суретке сәйкес түзілді.

Үлгіні фотохимиялық реакцияға түспеген алтын хлориді мен қосалқы өнімдерден дистилденген сумен шаю арқылы тазартты және ауада кептірді.

Әртүрлі үлгілердегі қаптаманың құрамын зерттеу ISM-6490-LV (JEOL, Япония) растрлы электронды микроскобында жүргізілді.

Ағымдағы матаның электрондық суреті мен элементтік құрамы 4.8 суретке сәйкес келтірілген.

Сурет 4.8 - Ағымдағы матаның электрондық суреті мен элементтік құрамы

4.9 суретке сәйкес күн сәулесімен жарықтандырылған және күңгірт тығырықпен жабылған матаның шектік аймақтары көрсетілген. Мұнда жабылған аймақтар ағымдағы матаға тән қара түсте көрсетілсе, жарықтандырылған аймақтар металдарға тән ашық түстерге боялған.

Сурет 4.9 - Мақта-қағазды матаның жарықтандырылған (оң жақта) және жабылған (сол жақ) аймақтары арасындағы шекара

Матаның күңгірт тығырықпен жабылған аймақтарында 4.10 суретке сәйкес мата түсі өзгеріссіз қалған, тек кейбір жерлерінде ғана азғана ашық түсті нүктелер көрінеді. Элементтік талдау көрсеткендей, мұнда матаның ағымдағы құрамынан (көміртегі, оттегі, кремний, кальций) бөлек алтын мен хлордың азғана мөлшері қосылады. Бұл өз кезегінде суда ерімтал хлорлы алтынның негізгі бөлігі жүргізілген операцияларға қарамастан өзгеріссіз қалған және сумен шаю кезінде жойылады.

Сурет 4.10 - Үлгі қабатының күңгірттелген бөліктерінің электрондық суреті мен элементтік құрамы

Жарықтандырылған аймақтарда фотохимиялық реакцияның жүруі нәтижесінде элементтік алтынның қабаты 4.11 суретке сәйкес. Мұнда, егер беткі қабат құрамында өзіне алтынның белгілі бөлігін қосып алуға қабілетті хлор мөлшері бар дегенде, ал алтынның жалпы құрамы 0,60 атом. % тең болғанда, онда беткі қабаттың 97% алтын металл түрінде болады.

Сурет 4.11 - Үлгі қабатының жарықтандырылған бөліктерінің электрондық суреті мен элементтік құрамы

Сурет 4.12 - Алтын қаптамаларын EDX әдісімен талдау нәтижелері (суретке сілтеме жасалынбаған)

3% төмен алтынның қалған бөлігі әртүрлі себептерге байланысты фотохимиялық реакцияға түспеген хлоридтер түрінде болады. Бұл диэлектрик қуыстарындағы алтын хлоридінің кейбір бөліктері жартылай өкізгіштің негізгі бөлігімен байланысын үзген және экрандау кезінде алдыңғы бөлінген алтын бөлшектерімен қоса фотохимиялық реакцияға түспеген.

Осылайша, алтын қаптамаларын алу үшін диэлектриктің беткі қабатында AuCI₃ ерітіндісін сорбциялық қабатын жасап, оны күн сәулесінде кептіру қажет. Осы кезде орын алатын сорбциялық қабаттың бірте-бірте кебуі диэлектриктердің алтындау технологиясын жеңілдететін 97% металл түріндегі алтынның түзілуіне ықпал ететін фотохимиялық реакция бойынша күн сәулелерінің әсерінен AuCI жартылай өткігішті бөлшектердің пайда болуына әкеп соқтырады [158].

Жүргізілген зерттеу жұмысының нәтижелері Мәскеу қаласында өткен «Discovery Science: University-2017» студенттердің және аспиранттардың Халықаралық зияткерлік конкурсында баяндалған (Қосымша В).