| 1 | Введення. | 3 |
| 2 | Літературний огляд. | 4 |
| 2.1 | Сполуки зі структурою силленита. | 4 |
| 2.1.1 | Структура германата вісмуту. | 4 |
| 2.2 | Деякі фізичні властивості силленита. | 6 |
| 2.3 | Підготовка поверхні і вибір підкладки до епітаксії. | 13 |
| 2.3.1 | Вимоги до матеріалу підкладки. | 13 |
| 2.3.2 | Підготовка поверхні підкладки до епітаксії. | 14 |
| 2.4 | Отримання плівок сполук зі структурою силленита. | 15 |
| 2.5 | Можливість отримання плівок силленита на сілленіте. | 18 |
| 2.6 | Вплив легування на властивості монокристалів силленита. | 19 |
| 2.6.1 | Оптичні властивості. | 19 |
| 2.7 | Висновки з літературного огляду | 22 |
| 3 | Експериментальна частина. | 23 |
| 3.1 | Цілі і завдання роботи | 23 |
| 3.2 | Характеристики вихідних речовин. | 23 |
| 3.3 | Вибір матеріалу тигля. | 23 |
| 3.4 | Обладнання. | 24 |
| 3.5 | Виготовлення підкладок з монокристалів Bi12GeO20 і підготовка поверхні підкладок до епітаксії. | 25 |
| 3.6 | Виготовлення підкладок з монокристалів Bi12GeO20 і підготовка поверхні підкладок до епітаксії. | 26 |
| 3.7 | Нанесення епітаксійного шару. | 26 |
| 3.8 | Визначення впливу температури на товщину епітаксійного шару. | 27 |
| 3.9 | Виявлення мікроструктури епітаксійних плівок. | 30 |
| 3.10 | Результати роботи та висновки. | 33 |
| 4 | Економічна частина. | 34 |
| 4.1 | Техніко - економічне обгрунтування проведення дипломної роботи. | 34 |
| 4.1.1 | Оцінка собівартості лазерного елемента на основі монокристаллической плівки (за даними отриманими в результаті НДР) | 35 |
| 4.1.2 | Лазерна установка на основі об `ємний монокристалів: | 38 |
| 4.1.3 | Лазерна установка на основі плівкових лазерів: | 38 |
| 4.2 | Розрахунок витрат на проведення науково-дослідної роботи. | 39 |
| 4.2.1 | Розрахунок витрат на реактиви, сировина, матеріали. | 39 |
| 4.2.2 | Розрахунок енергетичних витрат. | 39 |
| 4.2.3 | Розрахунок заробітної плати. | 39 |
| 4.2.4 | Накладні витрати. | 40 |
| 4.2.5 | Розрахунок амортизаційних відрахувань. | 40 |
| 4.2.6 | Кошторис витрат на проведення дослідження. | 41 |
| 5 | Охорона праці. | 42 |
| 5.1 | Введення | 42 |
| 5.1.1 | Характеристика застосовуваних реактивів і препаратів. | 42 |
| 5.1.2 | Категоріювання лабораторного приміщення | 43 |
| 5.1.3 | Класифікація за ПУЕ. | 43 |
| 5.1.4 | Заходи електробезпеки. | 43 |
| 5.1.5 | Виробнича санітарія. | 44 |
| 5.1.6 | Вентиляція. | 44 |
| 5.1.7 | Освітлення. | 44 |
| 5.1.8 | Водопостачання. | 45 |
| 5.1.9 | Режим особистої безпеки. | 45 |
| 6 | Охорона навколишнього середовища від промислових забруднень. | 46 |
| 6.1 | ВСТУП. | 46 |
| 6.2 | Екологічна характеристика теми роботи. | 46 |
| 6.3 | Токсикологічна характеристика сировини, реагентів, проміжних і кінцевих продуктів. | 47 |
| 6.4 | Переробка та знешкодження твердих відходів. | 48 |
| 6.5 | Переробка і знешкодження рідких відходів. | 48 |
| 6.6 | Укрупнена оцінка економічного збитку від забруднення атмосфери. | 48 |
| 6.7 | Укрупнена оцінка збитків від забруднення водойм. | 50 |
| 6.8 | Висновки. | 51 |
| 7 | Список літератури. | 52 |
1 Вступ.
Сучасна оптоелектроніка вирішує завдання, пов'язані з дослідженням процесів обробки, передачі, зберігання, відтворення інформації й конструюванням відповідних функціональних систем. До числа найважливіших елементів таких систем відносяться оптичні модулятори, дефлектори, дисплеї, елементи довгострокової і оперативної пам'яті і ін
В оптичних інформаційних системах перераховані процеси реалізуються шляхом взаємодії світлових пучків із середовищем. Ця взаємодія здійснюється за допомогою відповідних матеріалів, що володіють властивостями які можуть зміняться під впливом світла, механічного впливу, а так само під дією електричного і магнітного полів.
В даний час значна частина радіоелектронних приладів конструюється на основі монокристалічних елементів з певною сукупністю фізичних властивостей. Складні кисневі сполуки Bi силленита типу (mBi2O3 × nMexOy) викликають великий інтерес, будучи п'єзоелектрики, мають електрооптичні і магнитооптическими властивостями, що в поєднанні з фотопровідність висуває їх до числа перспективних матеріалів для створення електро-і магнітооптичних модуляторів лазерного випромінювання, запам'ятовуючих пристроїв типу ПРОМ і т.д.
Найбільшу популярність серед сполук цього класу придбали силікати і германата вісмуту для яких розроблена технологія вирощування крупних монокристалів і досить повно вивчені фізико-хімічні властивості і структура.
Останнім часом питання створення оптоелектронних елементів методами інтегральної технології стають все більш нагальними. У зв'язку з вищевказаними перевагами силленита в останні роки проводилося багато досліджень плівок зі структурою силленита, в яких відзначалася перспективність їх використання в оптоелектроніці та пьезотехніке.
У зв'язку з помітним впливом природи структуроутворююче іона на властивості дозволяє розширити області застосування, а точніше заміна р-елементів (Ge, [] ns2np2) у Bi12ЕO20 іонами перехідних металів, що мають неспарені 3dn-електрони купуються нові властивості (зміни забарвлення, розширення області пропускання в довгохвильової частини спектру)
Дана робота присвячена вирощуванню плівок силленита (зокрема Bi12GeO20 легованого Cr2O3) на підкладках Bi12GeO20 і вивченню деяких їх властивостей.
2 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД.
2.1 З'єднання зі структурою силленита.
Кристали зі структурою силленита відносяться до пентагонтритетраэдрическому класу I 23 кубічної сингонії і належить до просторової групи T3 (I23) [1,2].
Sillen виявив, що при взаємодії Bi2O3 з оксидами Si, Ge, Al, Fe, Zn, Pb і ін, утворюється об'емоцентрірованная кубічна фаза [3,4] з елементарною клітинкою містить дві формульні одиниці.
Пізніше більш ретельні дослідження [5] показали, що сполуки зі структурою силленита утворюються при взаємодії g-Bi2O3 з оксидами елементів, здатних мати четверну координацію по кисню.
Параметр елементарної комірки об'емоцентрірованной кубічної g-Bi2O3 а = 10,245 ± 0,001 Å, а виміряна гідростатична щільність складає 9,239 г/см3 [1].
2.1.1 Структура германата вісмуту.
Атоми кисню О (3) розташовані на головних діагоналях елементарної комірки навколо Ge, утворюючи правильний тетраедр, на що було звернуто увагу в роботах [6-8] (рис. 1.1.1.).
На однаковій відстані від кожного атома кисню О (3) (2,640 Å) розташовані три атоми вісмуту. Вi. У кристалах Bi12GeO20 атоми кисню пов'язані з атомами вісмуту і германію іонно - ковалентними зв'язками з-за значно більшою електронегативності атома кисню.
Кожен атом вісмуту оточений сім'ю атомами кисню, розташованими на різних відстанях від нього і представляють собою спотворений Поліедр (рис. 1.1.2.).
Рис. 1.1.1. Розташування тетраедрів [GeO4] в елементарній комірці германосілленіта [2].
Ріс.1.1.2. Будова поліедра [BiO7].
На думку [6] іон вісмуту утворює п'ять іонно - ковалентних зв'язків з іонами кисню (O (2), O (3), O (1a), O (1b), O (1c)), які належать одній з ним примітивної комірці , і зміщений на 0,197 Å по відношенню до центру площині, утвореної чотирма атомами кисню. Два інших атома кисню (О (1d) і О (1e)) належать сусіднім примітивним осередкам і видалені на відстань 3,08 і 3,17 Å, що викликало сумніви, щодо характеру зв'язку. Кожен [BiO7] оточений дев'ятьма подібними комплексами, розташованими таким чином, що утворюються гвинтові осі [6].
Модель елементарної комірки Bi12GeO20 була запропонована в роботі [2]. Ця модель допомогла розглянути властивості цих сполук з точки зору їх кристалічної структури.
2.2 Деякі фізичні властивості силленита.
Монокристали зі структурою силленита, в основному, задовольняють вимогам, пропонованим до електрооптичних і магнітним кристалам:
- Високі міцнісні характеристики;
- Достатня твердість;
- Нерозчинність у воді;
- Негігроскопічні;
- Хороші діелектричні характеристики в сильних полях.
Крім того, вони належать до кубічної сингонії [9-12].
Діаграма станів наведені на ріс.1.2.1. і 1.2.2 ..
Властивості Таблиця 1.2.2.
Приклади використання кристалів силленита в різних приладах і властивості, завдяки яким можливо це використання.
| 1. Електрооптичні модулятори світла (наприклад, для модуляції лазерного випромінювання) | ||||
| Велике значення електрооптичний коефіцієнт х108 | Упругооптіческій коефіцієнт | високий показник заломлення | Низька керуючу напругу, Ul / 2, кВ | специфічний. Вимоги, які виділяють силленита у ряді ін кристалів (ніобати, КДР) |
| Bi12GeO20 (BGO): r41 = 11 [15] Bi12SiO20 (BSO): r41 = 10 [16] КДР (KH2PO4): r41 = 26 [17] | 0.115 [18] 0.130 [18] 0.251 [17] | 2.65 [18] 2.55 [16] | 12 [17] 21 [16] 75 [17] | * Високі характеристики * достатня для практ. цілей твердість (у BGO-370 ¸ 430 г/мм2 [18]) * нерозчинність у воді * негігроскопічні * прозорість в широ-кому діапазоні довжин хвиль (у BGO-0, 45 ¸ 8,2 мкм [18]) * приналежність до кубіч. Сингонії (у випадках, коли важлива оптич. Ізотропності крист. У відсутність ел. Поля) |
| 2. Акустичні прилади (лінії затримки на поверхневих хвилях з великим часом затримки) | |
| Низька швидкість поширення звук. Хвиль у BGO: швидкість поздовжньої хвилі: 3420 м / сек (у направ-лення (100)), поперечної - 1770 м / сек [19] | Відзначено слабке затухання пружних хвиль в BGO [20], тобто малі втрати енергії, що позво-ляет створити малогабаритні лінії затримки на поверхневих хвилях з великим часом затримки |
| 3. Сховище ПВМС (або фотосопротивлений з електропровідністю 10-10 - 10-14 Ом-1см-1 (біля Bi12GeO20 [10]) | |
| Фотопровідність ¾ збільшення відмічено у Bi12TiO20 при легуванні V (до 0,1 вагу.%) [21], але одночасно збільшується і темнова провідність; ¾ збільшення фотопровідності без збільшення темнової провідності відмічено у Bi12TiO20 при легуванні Zn (0,009 мас.%) | Електричні властивості - для запису необхідна велика рухливість носіїв заряду, для тривалого зберігання - мала |
Кристали силленита мають оптичну активністю, що дещо ускладнює конструкцію модуляторів світла на цих кристалах. Припускають [22], що оптична активність може бути обумовлена гвинтовими осями або асиметричної координаційної сферою вісмуту.
Вимірювання оптичної активності проводилося різними дослідниками. За даними [23-26], дисперсія оптичної активності для Bi12GeO20 має монотонне залежність, а за іншими даними [9,27] - проходить через максимум в районі 500 нм. Для титанату вісмуту дисперсія оптичної активності має монотонну залежність [28].
За даними роботи [29] кристали германосілленіта прозорі від 0,41 до 7 мкм., Кристали силікату вісмуту від 0,5 до 6 мкм., А кристали титанату вісмуту від 0,35 до 8,2 мкм ..
На думку авторів [11] всі силленита володіють позитивним фарадеевскім обертанням і ефект має однакову величину. Однак, встановлено [23], що Bi12SiO20 і Bi12GeO20 володіють значним магнитооптическим обертанням площини поляризації, що досягає величини 0,3 ¸ 0,5 хв / е × см у видимій області, що дозволяє використовувати їх як магнітооптичних модуляторів
Силленита нецентросиметричним і володіють такою важливою властивістю, як наявність електрооптичного ефекту [9,25]. Це явище називається ефектом Поккельса і має місце тільки в пьезокристалла [29].
Монокристали силленита володіють фотопровідність [27].
Ленза [30] виявив у силленита (Gt, Si, Ti) ефект, названий фотоактивністю. Якщо освітити кристал, то в його освітленої області будуть генеруватися вільні електрони, дірки чи пари е-дірка. Під впливом зовнішнього поля ці носії будуть зміщуватися, утворюючи область високого електричного поля. У цій області спостерігали сильне обертання площини поляризації.
В даний час великий інтерес викликають акустичні властивості силленита. За даними Ленза [10-12], кристали Bi12GeO20 володіють хорошими акустичними властивостями. Низька швидкість розповсюдження звукових хвиль (3,42 км. / сек. Паралельно {100}) [12], дозволяє використовувати відносно короткі кристали для отримання високої величини затримки ультразвуку.
| Таблиця 1.2.1. | ||||
| Сілленіт | Рентгенівська щільність, г/см3 | Напрямок поширення звукової хвилі | Швидкість поширення звукової хвилі, км / сек | Література |
| Bi12GeO20 | 9,23 | [II0] поздовжня | 3,42 | [31,32] |
| Bi12GeO20 | 9,23 | [II0] поперечна | 1,77 | [31,33] |
| Bi12TiO20 | 9,1 | [II0] поперечна | 1,72 | [34] |
| Bi40Ga2O63 | 9,26 | [II0] поперечна | 1,61 | [34] |
| Bi40Fe2O63 | 9,32 | [II0] поперечна | 1,61 | [34] |
| Bi12SiO20 | 9,14 | [II0] поперечна | 3,83 | [31] |
У германосілленіте спостерігалася генерація поперечних звукових хвиль, що збуджуються світловим плямою від лазерного імпульсу з просторово модульованим розподілом інтенсивності. Експеримент ставився в умовах, коли нормально до поверхні кристала докладено достатньо сильне зовнішнє електричне поле (до 5 кВ / см). Звукові хвилі приймалися торцевим перетворювачем на частотах від 20МГц до 70МГц. Поверхневі хвилі при обраної конфігурації системи не порушувалися. Картина явища виглядала наступним чином. У момент освітлення виникав миттєвий фотоакустичний відгук. При повторній засвіченні, але вже просторово однорідним імпульсом світла, знову виникав акустичний сигнал, який фіксував ту обставину, що в зразку збереглася пам'ять про попередній дії. Час пам'яті сягала кількох хвилин. Головною особливістю дослідженого явища виявилася наявність ефекту фотоакустичний пам'яті при обох полярностях зовнішнього поля. Для поверхневих же хвиль сигнал фотоакустичний пам'яті спостерігався лише при одному напрямку зовнішнього поля. Отримані результати доводять, що існують різні механізми фотоакустичний пам'яті. Дослідження їх може надати серйозну допомогу в розумінні самої природи фоторефрактивних явищ.
Справа в тому, що для розуміння основних механізмів фоторефрактивних явищ багато принципових питань зовсім не вирішені. Сюди відносяться такі питання як характер процесів, що відбуваються в реальних кристалах з декількома типами домішкових рівнів, динаміка фоторефрактивному решітки при імпульсній засвітці. Для їх вирішення може виявитися корисним вивчене явище. Експеримент виконувався на поверхневих хвилях з частотою 16 МГц, які відбивалися від створеної імпульсом світла фоторефрактивному решітки з вдвічі меншим просторовим періодом, ніж період звукової хвилі. Зрушення часу між світловим і звуковим імпульсами регулювався, так що була можливість спостерігати зміну відбивної здатності грати в часі. Експеримент зафіксував дуже високу ефективність досліджуваного феномена. Були зняті залежність відбитого сигналу від тимчасової затримки і від світлової експозиції. Як показали розрахунки, максимум відображення настає при такій провідності, коли твір максвеллівський часу релаксації на кругову частоту звукової хвилі приблизно дорівнює одиниці. Тобто при сильному засвіченні відбитий сигнал спочатку наростає в часі, а потім починає спадати.
Все це при деяких спрощення характеризується часом релаксації фотопровідності. Особливо підкреслимо таку обставину. У стандартних роботах з фоторефрактивних явищам результати спостережень визначаються величиною наведеного електричного поля. У наведеному ж експерименті внесок наведеного поля пренебрежимо малий. Величина відбитого сигналу визначається розподілом по кристалу вільних носіїв. Таким чином, дослідження акустичних явищ відкриває абсолютно нові можливості для вивчення фоторефракціі, відкриває шлях для отримання важливої інформації про поведінку вільних електронів. Аналіз експериментів дозволив, зокрема, визначити величину добутку коефіцієнта поглинання світла на квантову ефективність фотозбудження. На підставі аналізу даних по електронній структурі номінально нелегованих кристалів силленита, а також результатів дослідження в них поверхнево-бар'єрної фотоерс зроблено однозначний висновок про монополярному (електронному) характер фотопровідності цих матеріалів у синьо-зеленій області спектра. Нові механізми взаємодії акустичних хвиль з середовищем в сучасних матеріалах і шаруватих структурах, створених на їх основі. [35]
Кристали зі структурою силленита, вирощені в безкисневому (аргоновою) атмосфері, досліджувалися методом нестаціонарної фотоерс. Виявлено різке (більш ніж на два порядки величини) підвищення фотопровідності на червоному світлі по сравеннію з кристалами, вирощеними у присутності кисню. Можливе застосування подібних кристалів у інтерферометричні пристроях.
Кристали зі структурою силленита володіють складною системою енергетичних рівнів [I], яка залежить від багатьох факторів: зокрема, властивості кристалів можна змінити шляхом слабкого допірованія різними елементами. У даній роботі досліджувалися зразки кристалів силікату і титанату вісмуту (Bi12SiO20 і Bi12TiO20), вирощені в атмосфері аргону.
w/2p, kHz
Рис. 2. Частотні залежності наведеної величини сигналу фотоерс для обох досліджуваних зразків при різних значеннях просторової частоти. Суцільними лініями показані теоретичні залежності, розраховані при q = 3.52 і 2.75 для BSO-a і q = 3.2 та 2.3 для СОТ-а (величина q зростає із зростанням К).
На рис. 2 представлені залежності J'w від частоти, виміряні на зразках BSO-a і СОТ-а при двох різних значеннях К., де у схемах показані теоретичні залежності, причому значення wm, визначалися безпосередньо з вимірів, а величина q використовувалася як підгінну параметр для найкращої відповідності теоретичних кривих з експериментальними.
Раніше спостерігалося різке підвищення фотоструму в силленита, відпалених у вакуумі, саме в червоній області спектра [I]. Пояснювалося це компенсацією пасток донорними центрами, пов'язаними з виникаючими при відпалі кисневими вакансіями. Результати роботи підтверджують цей висновок, а також вперше дають кількісну оцінку властивостей фотоносіїв в силленита, нестехіометричних по кисню. Подібні кристали можуть з успіхом використовуватися в адаптивних інтерферометра, заснованих на ефекті нестаціонарної фотоерс. [36]
2.3 Підготовка поверхні і вибір підкладки до епітаксії.
2.3.1 Вимоги до матеріалу підкладки.
Рідинна епітаксії відрізняється від інших способів кристалізації з розплаву наявністю монокристаллической підкладки, на яку кристалізується осаждаемого речовини. Тому процес рідинної епітаксії та властивості епітаксіального шару в значній мірі визначаються властивостями підкладки. У перший момент після початку кристалізації процес рідинної епітаксії визначається характером фазового рівноваги на кордоні підкладка - розплав і кінетикою поверхневої реакції осадження атомів кристалізується матеріалу. Підкладка надає безпосередній вплив тільки на перший шар товщиною близько декількох постійних решітки кристаллизуемой матеріалу. Подальше зростання відбувається на епітаксіальним шарі, однак, частина параметрів підкладки визначає властивості всього епітаксійного шару (наприклад, орієнтація підкладки, оскільки вона зберігається і в зростаючого шару [37]).
Основними вимогами до матеріалу підкладки є:
- Більш висока температура плавлення підкладки по відношенню до кристаллизуемой матеріалу;
- Однотипність кристаллохимический структури підкладки та епітаксійного шару;
- Максимальна близькість параметрів їх решіток;
- Коефіцієнт термічного розширення підкладки повинен відповідати коефіцієнту термічного розширення плівки для зменшення напружень на плівці, що виникають у разі їх невідповідності.
- Стійкість підкладки до термоударам запобіжить її дроблення при раптових термоударах [37].
- Основа повинна бути інертні до реактивів, що застосовуються при підготовці пластин до епітаксії.
Невиконання цих вимог, на думку авторів [37], ускладнює отримання високоякісних епітаксійних плівок.
2.3.2 Підготовка поверхні підкладки до епітаксії.
Чистота поверхні підкладки є вирішальним фактором для вирощування та адгезії плівок. Добре очищена підкладка є необхідною попередньою умовою для отримання плівок з відтворюваними властивості. Як вважають автори [38], вибір методу очищення залежить від природи підкладки, типу забруднень і ступеня необхідної чистоти обробки. Що залишаються після виготовлення та упаковки волокна, відбитки пальців, масло і частинки, обложені з повітря, є прикладами часто зустрічаються забруднень. Отже, виробники тонких плівок повинні звертати увагу на необхідність розпізнавання забруднень і ефективного їх видалення. Ці питання, як правило, знаходять рішення з звичайними емпіричними наближеннями.
Процес очищення підкладки, на думку [38], вимагає, щоб були розірвані зв'язки як між молекулами самої домішки, так і між молекулами цієї домішки і підкладки. Це може бути досягнуто не тільки хімічними засобами, наприклад, очищенням розчинником, але і додатком достатньої енергії для випаровування домішки, наприклад, нагріванням або іонним бомбардуванням. Здійснення методів фізичного очищення зазвичай супроводжується встановленням обладнання для нагріву підкладок або бомбардування іонами.
Реагентами, що використовуються для очищення підкладок, служать водні розчини кислот і лугів, а так само такі органічні розчинники, як спирти, кетони та хлористі вуглеводні. Ефект очищення кислотами обумовлений перетворенням деяких оксидів і жирів в розчинні у воді сполуки. Лужні агенти розчиняють жири омиліваніем, що робить їх змочують у воді [39].
Для підвищення швидкості та ефективності видалення забруднення зазвичай застосовується нагрівання чи звукове порушення розчинника. Очищення гарячим розчинником найчастіше здійснюється знежиренням пором, тобто підкладка поміщається над киплячою рідиною в закритому контейнері. Висхідний пар розчинника конденсується на очищуваному об'єкті, нагріваючи його і збільшуючи швидкість розчинення поверхневих забруднень [40]. У той час як відпрацьований розчин стікає назад у ванну, свіжий і чистий дистилят повторює процес.
При ультразвукової очищенню розчинення осаду збільшується інтенсивним локальним перемішуванням за допомогою ударних хвиль, що створюються в розчиннику [40]. Таким чином, розчинник, насичений домішками, безперервно віддаляється з поверхні підкладки і на зміну йому надходить свіжа, менш насичена рідина. Параметрами, що визначають ефективність ультразвукового очищення, є:
- Частота коливань;
- Прикладена потужність;
- Тип розчинника;
- Температура розчинника;
- Поверхневий натяг розчинника;
- В'язкість розчинника;
- Наявності ядрообразующіх речовин;
- Наявності розчинених газів;
Сушіння відмитих пластин є настільки ж критичною, оскільки за відсутності спеціальних запобіжних заходів може відбутися повторне забруднення. Сушіння може відбуватися у паровому очисник, чистої печі, за допомогою гарячого фільтрованого повітря або азоту. Для зберігання підкладок можуть використовуватися обезпиленние контейнери з кришкою або ексикаторі.
Описаний метод найбільш застосовний для монокристалічних підкладок, які використовуються при гетероепітаксіальном нарощуванні плівок.
Порівняння очищення парами ряду розчинників і ультразвукового очищення в розчині ізопропілового спирту було проведено Putner [41]. Хоча очищенням в парах ізопропілового спирту він і одержав самі чисті поверхні, все ж ультразвукове низькочастотне збудження виявилося найбільш ефективним для видалення таких великих забруднень, як частинки різних матеріалів і відбитки пальців. Обговорюючи ці результати, Holland [42] припустив, що вирішальним чинником є більш висока температура розчинника і підкладки, що досягається при очищенні в парах.
Були підібрані спеціальні склади для полірування травлення сілленітових підкладок [43]: конц. HCl: гліцерин = 10: 1.
2.4 Отримання плівок сполук зі структурою силленита.
Термін "епітаксії" походить від грецьких слів "епі" і "таксі", що мають значення "над" і "впорядкування". Технологічний процес епітаксії полягає у вирощуванні на монокристаллической підкладці шарів атомів, упорядкованих у монокристаллическую структуру, повністю повторює орієнтацію підкладки.
Існує три види епітаксії: газова, рідинна та молекулярно-променева. Термін "епітаксії" застосовують до процесів вирощування тонких монокристалічних шарів на монокристалічних підкладках. Матеріал підкладки в цьому процесі виконує роль затравочного кристала.
Якщо матеріали одержуваного шару та підкладки ідентичні, наприклад, кремній вирощують на кремнії, то процес називають автоепітаксійних або гомоепітаксіальним. Якщо ж матеріали шару та підкладки різняться (хоча їх кристалічна структура повинна бути подібною для забезпечення зростання монокристалічного шару), то процес називають гетероепітаксіальним.
Перспективність використання силленита для виготовлення різноманітних тонкоплівкових пристроїв, застосовуваних для інтегральних оптичних схем, відзначена Ballman AA і Tien PK [44].
Для отримання плівок силленита використовувалися різноманітні методи:
- Вирощування з газової фази [45],
- ВЧ - розпорошення [46],
- З рідкої фази [47],
- Методи термічного випаровування [48].
При осадженні Bi12GeO20 з використанням парів Bi і GeCl4 був використаний складний окислювач (N2O + H2O). Опади Bi12GeO20 на Bi12GeO20, сапфірі, шпінелі, кварці, MgO були полікристалічними. Сполуки, які можуть бути вирощені, мають ряд складів: Bi12 + yGexO20 в яких х може зміняться в межах від ½ до 1. [45]
При вирощуванні Bi12GeO20 з газової фази при температурі реакційної зони 860 ° С спостерігалась реакція між осадом, підкладкою і частинами кварцовою труби. . [45]
У роботах [48,49] для отримання плівок використовувалися різні види термічного випаровування вихідного з'єднання з подальшою конденсацією на підігріваються підкладках зі скла, відколу {001} NaCl, слюди. У якості вихідних матеріалів брали стехіометричні склади Bi12ЕO20, де Е - Si, Ge. Не залежно від методу випаровування, отримані конденсати були силленита, на що вказував розрахунок рентгенограм.
При отриманні плівок методом ВЧ - розпилення [46] велике значення надавалося температурі підкладок. Найбільш досконала структура отримана при температурі 500 - 550 ° С на кварці. При більш низьких температурах одержувані шари були аморфні.
У роботі [46] робилися спроби отримати з'єднання зі структурою силленита методом "вибухового" випаровування. Тонкі конденсати, отримані склі, сколе слюди, пластинках із нержавіючої сталі, вивчалися на електронному мікроскопі ЕММ - 2. При напиленні плівок на холодні підкладки (tп. = 20 ° С) відбувалося утворення аморфних шарів. При конденсації плівок на підкладки, температура яких перевищувала 400 ° С, утворювався полікристалічний шар германосілленіта.
Для отримання оптично високоякісних монокристалічних плівок ряду силленита був застосований метод гетероепітаксіального нарощування з рідкої фази [47], причому підкладкою в даному випадку служило одне із з'єднань зі структурою силленита, яке володіло великим показником заломлення і більш високою температурою плавлення. Наприклад, плівки 12Bi2O3 × Ga2O3 на Bi12GeO20.
Пояснюючи механізм росту плівки, Ю.М. Смирнов та А.Д. Шуклов [50] розглядають його як послідовний процес, що складається з ряду стадій:
- Освіта кластерів у розплаві;
- Дифузія кластерів до поверхні зростання;
- Осадження кластера на поверхні (освіта зародка);
- Поверхнева дифузія;
- Зростання плівки.
Освіта кластеру, як відзначають [51], визначається максимальною величиною енергетичного бар'єру і буде лімітуючою стадією в процесі осадження плівки. Основний внесок на цій стадії існування розплаву належить температурі. Температура розплаву, а точніше, його переохолодження, буде робити визначальний вплив і на другу стадію процесу - дифузію кластерів до поверхні зростання. Однак, вплив переохолодження на першу і другу стадії утворення плівки різному: збільшення переохолодження сприяє утворенню кластерів у розплаві і одночасно, зменшує дифузію кластерів до фронту кристалізації. Тому при одержанні епітаксійних плівок важливо встановити температурні умови та кінетику осадження плівки. Основний вибору оптимальних технологічних умов отримання епітаксійних плівок є фазові рівноваги у відповідних системах.
Для опис росту плівок автори [50] пропонують рівняння, що описує криву Таммана:
| = ,
де
А - постійна величина;
ТІ - рівноважна температура фазового переходу;
W1-енергетичний бар'єр стадії утворення, рівний;
Wd - енергетичний бар'єр стадії дифузії;
W3 - енергетичний бар'єр стадії осадження кластерів, що дорівнює
k1 - константа швидкості стадії утворення;
k2 - константа швидкості стадії осадження кластерів.
Так як хімічні і фізичні властивості силленита залежать від структуроутворюючих іонів (Si, Ge, Fe, Ga і т. д.) і від змісту цих іонів, то часткова або повна заміна їх, дає можливість безпомилково змінювати показник заломлення плівки в досить широкому інтервалі.
2.5 Можливість отримання плівок силленита на сілленіте.
Майбутні високоємні системи оптичного зв'язку, як вважають AA Ballman і PK Tien [44], будуть складатися з різних пасивних і активних інтегральних оптичних пристроїв, функція яких - проводити і маніпулювати світловими хвилями, що несуть інформацію. З часу публікації [44] проводилися інтенсивні дослідження різних тонкоплівкових світлодіодів і, пов'язаних з ними, оптичних пристроїв. Робота в цій області [44] виявила, що остаточний успіх пропонованих оптичних систем, в основному, залежить від розробки тонкоплівкових матеріалів, що мають прийнятні властивості для застосування в системах оптичної передачі інформації.
Авторами роботи [52] було виявлено, що монокристалічні тонкоплівкові матеріали підходять для інтегральних оптичних пристроїв, так як вони мають малі втрати для провідних хвиль, відносно прості й недорогі в виготовленні.
Автори [44] виявили новий обіцяє клас монокристалічних матеріалів, що ідеально підходить для використання як у пасивних, так і в активних тонкоплівкових светопроводящий оптичних пристроях.
Светопроводящий пристрій [44] складається з тонкої плівки прозорого сілленітового матеріалу на основі оксидів вісмуту, утвореної на підкладці так само прозорого сілленітового матеріалу на основі оксидів вісмуту з більш низьким показником заломлення, ніж у плівки.
Як було показано раніше (глава 1.2.) Сімейство силленита включає безліч з'єднань Bi2O3 з оксидами GeO2, SiO2, TiO2, ZnO, Ca2O3, Al2O3, Fe2O3, B2O3, P205 і т.д. ... Часткова або повна заміна різних іонів силленита дозволяє змінювати показник заломлення як плівки, так і підкладки у відносно широкому діапазоні. Монокристалічні сілленітовие плівки зовсім прозорі у видимому та ІЧ - спектрі, володіють низькими втратами на розсіювання і поглинання світлових хвиль.
Крім того, було виявлено [44], що силленита мають ефект Фарадея, є п'єзоелектрики, оптично активними, оптично нелінійними і фотопровідним матеріалами.
Використання Bi12GeO20 в якості підкладки в процесі гетероепітаксіального отримання плівок силленита очевидно в зв'язку з тим, що германосілленіт має найвищу точку плавлення з усіх з'єднань силленита, наведених у таблиці 1.5.1. Підкладка, таким чином може бути занурена у всі з'єднання, чиї температури плавлення нижче. Близьке узгодження параметрів решітки та коефіцієнта теплового розширення так само дають можливість отримати високоякісні епітаксиальні шари. З'єднання наведені в таблиці 1.5.1. задовольняють цим вимогам у варіантах, де в якості підкладки використовувався германосілленіт.
Таблиця 1.5.1. [44] | |||
| Склад | Співвідношення | Параметр решітки, Å | Температура плавлення, ° С |
| Bi2O3 - Bi2O3 | 12:1 | 10,12 | 700 |
| Bi2O3 - SiO2 | 6:1 | 10,10 | 900 |
| Bi2O3 - GeO2 | 6:1 | 10,14 | 935 |
| Bi2O3 - TiO2 | 6:1 | 10,17 | 930 |
| Bi2O3 - Ga2O3 | 12:1 | 10,17 | 825 |
| Bi2O3 - Al2O3 | 12:1 | 10,16 | 930 |
| Bi2O3 - Fe2O3 | 19:1 | 10,18 | 825 |
| Bi2O3 - ZnO | 6:1 | 10,20 | 800 |
| Bi2O3 - P2O5 | 12:1 | 10,16 | 900 |
2.6 Вплив легування на властивості монокристалів силленита.
2.6.1 Оптичні властивості.
Перспективність матеріалів зі структурою силленита значною мірою пояснюються електрооптичні властивості цих кристалів, тобто порівняно малою величиною напівхвильового напруги, а також значними поздовжніми і поперечними електрооптичні ефектами.
Відомо, [53] що легування Al, Ga, Sr значно змінює спектральну залежність оптичного поглинання та діелектричні властивості монокристалів. У роботі Копилова з співробітниками [54] досліджено вплив легування монокристалів Bi12SiO20 елементами II і III груп на величину і спектральну залежність U.
У просторово-часових модуляторах світла типу ПРОМ важливо мати не надто тонкий шар матеріалу, оскільки до нього додається сильне електричне поле. Коефіцієнт поглинання визначає максимально допустиму робочу довжину пристрою, що використовує даний матеріал. [55] Зниження коефіцієнта поглинання в області 400-600 нм забезпечується введенням в B12GeO20 0,1 мас% Al2O3 (рис. 1.6.1.)
Ріс.1.6.1. Залежність напівхвильового напруги U від довжини хвилі для легованого сіллікосілленіта:
I. Bi12SiO20;
II. Bi12SiO20 - Al;
III. Bi12SiO20 - Ga;
IV. Bi12SiO20 - Ca;
V. Bi12SiO20 - Sr;
VI. Bi12GeO20.
Таке легування дає можливість збільшення максимальної допустимої робочої довжини від 160 мкм для Bi12GeO20 до 3,2 мм для Bi12GeO20 -0,1 мас. % Al2O3 (при роботі на довжині хвилі 420 нм), а при записі голограм на l = 514,5 нм вона складе вже 10 мм [55].
Фотопроводность визначає можливість використання силленита в пристроях запису оптичної інформації - просторово-часових модуляторах світла (ПВМС). Збільшення фоточутливості за рахунок легування кристала дозволяє збільшити чутливість таких пристроїв, якщо воно не викликає збільшення темнової провідності, що зменшує час зберігання записаної інформації. Однак, в електрооптичних лампах, керованих електронним променем [56] сприятливою умовою використання силленита є придушення фотопровідності.
Ріс.1.6.2. Спектр фоточутливості кристалів [57].
1 - Bi12SiO20
2 - Bi12SiO20 - Mn (0,15 мас.% У шихті)
3 - Bi12SiO20 - Cr (0,10 мас.% У шихті)
Значне зменшення фотопровідності відмічено у Bi12SiO20 при легуванні Cr і Mn [57] (рис. 1.6.2.), Al і Ga (до 0,5 вагу.% У розплаві) [58]; у Bi12GeO20 - при легірованііCa і Ga [56 ].
2.7 Висновки з літературного огляду.
Складні кисневі сполуки Bi силленита типу (mBi2O3 × nMexOy) викликають великий інтерес, будучи п'єзоелектрики, мають електрооптичні і магнитооптическими властивостями, що в поєднанні з фотопровідність висуває їх до числа перспективних матеріалів для створення електро-і магнітооптичних модуляторів лазерного випромінювання, запам'ятовуючих пристроїв типу ПРОМ і т.д.
Заміна р-елементів (Ge, [] ns2np2) у Bi12ЕO20 іонами перехідних металів, що мають неспарені 3dn-електрони, дозволяє отримати нові властивості (зміни забарвлення, розширення області пропускання в довгохвильовій частині спектру).
Чистота поверхні підкладки є вирішальним фактором для вирощування та адгезії плівок. Добре очищена підкладка є необхідною попередньою умовою для отримання плівок з відтворюваними властивості.
Майбутні високоємні системи оптичного зв'язку, як вважають AA Ballman і PK Tien [44], будуть складатися з різних пасивних і активних інтегральних оптичних пристроїв, функція яких - проводити і маніпулювати світловими хвилями, що несуть інформацію. Робота в цій області [44] виявила, що остаточний успіх пропонованих оптичних систем, в основному, залежить від розробки тонкоплівкових матеріалів, що мають прийнятні властивості для застосування в системах оптичної передачі інформації. Светопроводящий пристрій складається з тонкої плівки прозорого сілленітового матеріалу на основі оксидів вісмуту, утвореної на підкладці так само прозорого сілленітового матеріалу на основі оксидів вісмуту з більш низьким показником заломлення, ніж у плівки.
Таким чином необхідно знаходження умов отримання плівок заданої товщини твердого розчину Bi12GeO20: 6 мольний. % Cr4 + зі структурою силленита на германосілленітовой підкладці методом рідиннофазної епітаксії.
3 Експериментальна частина.
3.1 Цілі та завдання роботи.
Метою даної дипломної роботи було одержання плівок заданої товщини твердого розчину Bi12GeO20: 6 мольний. % Cr4 + зі структурою силленита на германосілленітовой підкладці методом рідиннофазної епітаксії.
Для досягнення даної мети необхідно виконати наступні завдання:
1. Підбір орієнтації підкладки,
2. Вибір оптімальгой температури епітаксії,
3. Визначення залежності товщини плівки від часу витримки підкладки в розплаві.
3.2 Характеристики вихідних речовин.
| Речовини | Категорії | Технічні умови | Вміст основної речовини,% |
| Bi2O3 | ОСЧ 13-3 | ТУ6-09-1853-72 | 99,99 |
| GeO2 | ОСЧ 2-14 | ТУ6-09-1418-76 | 99,99 |
| Cr2O3 | "Хч" | ||
| HCl | "Хч" | ГОСТ 3118-67 | 35,0 - 38,0 |
| CCl4 | "ОСЧ" | ГОСТ 20288-77 | |
| Ацетон | "Ч" | ТУ 9-271-68 | |
| Гліцерин | "Хч" | ТУ 9-271-68 |
3.3 Вибір матеріалу тигля.
При вирощуванні монокристалів силленита в якості матеріалу тигля використовується платина.
Хоча температура плавлення германосілленіта 930 ° С, застосовувати керамічні, кварцові, а також тиглі з неблагородних металів можна із-за високої хімічної активності розплаву Bi2O3.
3.4 Обладнання.
У ході роботи використовувалося наступне обладнання:
1) Установка для росту кристалів з Чохральського.
Як нагрівальний елемент використовувалася ніхромовий спіраль (R = 2,1 Ом).
Максимальна потужність печі - 2,142 кВт.
Максимальна температура - 1250 ° С.
Внутрішнє пристрій печі наведено на рис. 2.4.1.
Електрична частина установки харчується від мережі змінного струму (напруга 220 В, 50 Гц). Управління та контроль проводиться за допомогою системи високоточного регулювання температури ДРТ-2. Система побудована за принципом зворотного зв'язку по температурі. Напруга на нагрівач подається з блоку тиристорів БТ. Сигнал з термопари, розташованої в безпосередній близькості від нагрівача, надходить на задатчик І-102, де порівнюється із заданим набором температури. Сигнал розбалансу, отриманий у результаті порівняння, надходить на регулятор Р-111, де формується заданий закон регулювання (в даному випадку ПІ-регулювання) піччю опору. Сигнал з регулятора (0 ¸ 5 mА) надходить на блок управління тиристорів БУТ, який регулює вихідний сигнал з блоку тиристорів БТ, подаючи на них змінюється за величиною, що замикає напругу. Витягує механізм конструкції Ікана.
Швидкість витягування 3, 6, 12 мм / год.
Швидкість обертання штока 47 об / хв.
2) Для синтезу шихти і відпалу отриманих кристалів використовували муфельну піч ПМ-8.
Технічні дані печі:
| Потужність нагрівача | - | 2,4 | кВт |
| Напруга мережі | - | 220 | У |
| Максимальна робоча температура | - | 1100 | ° С |
3.5 Виготовлення підкладок з монокристалів Bi12GeO20 і підготовка поверхні підкладок до епітаксії.
Для виготовлення підкладок, монокристали германосілленіта розпилювали алмазним диском з зовнішньої ріжучої крайкою перпендикулярно осі росту кристалу на пластини товщиною 1 ¸ 1,5 мм.
Далі пластини наклеювали піццеіном на металеву планшайбу і шліфували із застосуванням алмазної шліфувальної пасти "М".
Після того як пластини були відшліфовані, планшайбу з наклеєними на неї підкладками ретельно мили для видалення з неї залишків шліфувальної пасти. Потім планшайбу поміщали на полірувальний круг і пластини полірувалися до дзеркального блиску. Для полірування застосовувалася полірувальна паста "М". Після закінчення механічної поліровки проводили хімічну сумішшю гліцерину і соляної кислоти в пропорції 10: 1, відповідно. Хімічну полірування проводили в кілька прийомів по 10 с. з контролем якості поверхні на мікроскопі МІІ-4.
Після шліфування й полірування з пластин вирізалися пластини розмірів, які прикріплялися до корундової стрижню тонкої платинової дротом.
Для очищення від жирових забруднень, підкладки занурювалися в чотирихлористий вуглець і кип'ятилися в ньому протягом 15 ¸ 20 хвилин.
3.6 Приготування шихти для рідиннофазної епітаксії.
Для проведення експериментів брали навішування Bi2O3, GeO2 і Cr2O3 з розрахунку отримання суміші містить 3 мас. % Cr2O3 й виробляли синтез шихти за рівнянням реакції нижче ознак:
6Bi2O3 + 0,94 GeO2 + 0,03 Cr2O3 ® Ge0, 94Cr0, 06Bi12O39, 97.
Сумарна вага наважки становив 50 г, що визначалося розмірами тигля. Вихідні компоненти відважували у розрахованих співвідношеннях на аналітичних вагах АДВ - 200 з точністю до 0,0001 р. Потім проводили твердофазний синтез шихти при 820 ° С протягом 30 годин.
Для ідентифікації фаз застосовувався метод рентгенофазового аналізу. Зразки аналізувалися на двукружном дифрактометрі типу ДРОН - 2.0 (CuK α в інтервалі кутів 2 ° <2Q <70 °).
3.7 Нанесення епітаксійного шару.
Епітаксиальні плівки отримували методом занурення монокристаллической германосілленітовой підкладки в розплав. Платиновий тигель з шихтою поміщали в кристалізаційну камеру. Для вирівнювання радіального градієнта над поверхнею розплаву, тигель накривали діафрагмою з термостійкої кераміки. Потім опускали шток з прикріпленою до нього платинової дротиком підкладкою. Для нарощування епітаксійних плівок Ge0, 94Cr0, 06Bi12O39, 97 використовувалися підкладки Bi12GeO20 з орієнтацією [111] і [100]. Шток з підкладкою орієнтували таким чином, щоб підкладка перебувала точно над центром тигля. Потім температуру за допомогою ручного регулятора плавно піднімали до 899 ° С за 40 - 50 хвилин. Це робилося для того, щоб підкладка і нагрівач не піддавалися термоударі. Після того як шихта розплавляється, температуру виводили на задане значення і витримували протягом 30 хв. для встановлення теплового режиму. Підкладку тримали безпосередньо над розплавом для прогріву.
Далі підкладку опускали в розплав при обертовому штоку й витримували її там протягом 10 ¸ 30 хв. Потім включали підйом штока. Після того як підкладка з нанесеною на неї плівкою витягується з розплаву, її вручну піднімали на 2 ¸ 3 мм над розплавом і, вимкнувши обертання і підйом штока, витримували протягом 1,5 годин. Потім плавно починали знижувати температуру в печі до кімнатної. Потім підкладку з нанесеною на неї плівкою витягували з печі.
Процес рідиннофазної епітаксії проводився при швидкостях підйому штока 12 мм / год і швидкості обертання 47 об / хв.
Після нарощування проводився відпал епітаксійних плівок протягом 5 - 6 годин при температурі 850 ° С.
Температура нарощування плівок змінювалася в межах від 899 до 914 ° С.
3.8 Визначення впливу температури на товщину епітаксійного шару.
Для приладів магнітооптики потрібні плівки товщиною не менше 20 мкм. На товщину одержуваних епітаксійних плівок основний вплив надають температура розплаву, швидкість підйому штока і час епітасіального нарощування плівки.
Для визначення товщини епітаксійного шару, з пластин з нанесеною плівкою виготовлявся зріз вздовж осі росту. Вимірювання товщини проводилося з використанням мікроскопа МІН-8. Вимірювання під мікроскопом вироблялося за допомогою гвинтового окулярного мікрометра. Він дозволяє проводити виміри з великою точністю, ніж лінійний. При 20Х об'єктиві ціна одного поділу барабана складає 0,375 мкм.
Експериментальні дані показали, що при швидкості менше 12 мм / год відбувається налипання розплаву на підкладку. При постійних швидкості витягування і часу нарощування плівки, основний вплив на її товщину надає температура.
Вплив температури на товщину плівки представлено на рис. 2.8.1.
Рис. 2.8.1. Залежність товщини епітаксійних плівки від температури при постійній швидкості витягування (12 мм / год. Та 10 - хвилинній витримці підкладки в розплаві).
На підставі експерименту вибраний оптимальний температурний режим вирощування плівок при швидкості витягування 12 мм / год.
Важливий вплив на товщину одержуваних плівок надає час епітаксійного нарощування. (Мал. 2.8.2.)
Рис. 2.8.2. Залежність товщини плівок від часу епітаксії при різних температурах розплаву:
1. 914 ° С.
2. 907 ° С.
3. 900 ° С.
Плівки оптимальної товщини виходили в інтервалі від 855 до 873 ° С і часу епітаксії 10 хв.
3.9 Виявлення мікроструктури епітаксійних плівок.
Вивчення мікроструктури отриманих плівок виробляли кристалооптичного методом на мікроскопі МІН - 8 з 160 кратним збільшенням.
Визначали стан монокристалічних блоків на поверхні підкладки, їх форму і розміри в залежності від орієнтації підкладки. Визначення розмірів кристалічних блоків проводилося за методикою, викладеної в главі 2.8. На кожному зразку вироблялося 25 - 30 вимірів. Результати усереднювались.
Залежно від орієнтації підкладки і температури розплаву, виходили монокристалічні блоки різної величини і форми.
На підкладках з орієнтацією {100} виходили кристалічні блоки витягнуті уздовж осі росту. При зменшенні температури до 904 ° С відбувалося збільшення розмірів кристалічних блоків, а при досягненні області температур нижче 904 ° С відбувалося їх наростання один на одного (рис. 2.9.1.).
На підкладці з орієнтацією {111} при інших рівних умовах, кристалічні блоки мали менші розміри і не настільки явно виражену спрямованість. (Рис. 2.9.2.)
На рис. 2.9.3 представлений графік залежності середніх розмірів кристалічних блоків від температури нарощування.
Рис. 2.9.1 Кристалічні блоки на підкладці з орієнтацією {100}.
Рис. 2.9.2. Дрібні кристалічні блоки на підкладці з орієнтацією {111}.
Рис. 2.9.3 Залежність середніх розмірів монокристалічних зерен від температури розплаву.
3.10 Результати роботи та висновки.
1. Отримано плівки твердого розчину Bi12GeO20: 6 мольний. % Cr4 + зі структурою силленита на германосілленітовой підкладці. 2. Оптимальними умовами для отримання якісних плівок товщиною від 20 до 90 мкм. є температурний інтервал 904 - 914 ° С і час епітаксії 10 хв. 3. Величина кристалічних блоків змінюється від 15 до 70 мкм в температурному інтервалі від 904 до 914 ° С. 4. Для отримання епітаксійних плівки твердого розчину Bi12GeO20: 6 мольний. % Cr4 + зі структурою силленита на германосілленітовой підкладці. найбільш сприятлива орієнтація підкладки {100}4 Економічна частина.
[61].
4.1 Техніко-економічне обгрунтування проведення дипломної роботи.
Останнім часом розвиток і вдосконалення передових технологій привів до широкого впровадження досягнень науки і техніки, в тому числі і квантової електроніки, в медицину.
У сучасній медицині існують декілька способів лікування онкологічних захворювань:
1. Хіміотерапія. До недоліків цього методу можна віднести шкідливість, використовуваних ліків, а також їх високу вартість, тривалий період виведення ліки з організму, побічні явища і невисоку ефективність.
2. Хірургічне втручання. Недоліки цього методу пов'язані з витратами на утримання людини в лікарні і його тривалою непрацездатністю в післяопераційний період.
Найбільш перспективними методами лікування в Росії і за кордоном вважають методи з застосуванням лазерної техніки. Зараз такі методи з-за їх високої вартості доступні далеко не кожному хворому. Дана дипломна робота є кроком у напрямку зменшення вартості виготовлення техніки і, отже, більшої її доступності для споживача.
Потреба сучасної техніки в нових матеріалах, перспективних завдяки їх незвичайним фізичним властивостям, зростає з кожним роком. Серед таких матеріалів важливе місце належить неорганічним монокристала. Відомі на сьогоднішній день лазерні кристали задовольняють далеко не всім існуючим потребам: наприклад ККД кращих з них не перевищує 60%, поріг генерації близько 50 мВт, невисока оптична якість, пов'язане з невирішеними технологічними проблемами, такими як, наприклад, підбір умов зростання об'ємних кристалів.
В останні роки дуже активно вивчаються матеріали, що містять в якості активатора хром в нетрадиційній для нього мірі окислення 4 +. На їх основі можливе створення лазерів з перестраеваемой частотою випромінювання в діапазоні 1,1-1,5 мкм.
На сьогоднішній день, германосілленіт (Bi12GeO20) активоване іонами хрому, є одним з перспективних матеріалів для перестраеваемих лазерів ближнього ІЧ діапазону. Завдяки наявності широкої області перебудови (близько 200 нм) цей матеріал може бути використаний в медицині для лікування онкологічних захворювань, тому що область його перебудови захоплює довжину хвилі 1,27 мкм, яка має високий терапевтичний ефект в боротьбі з раковими клітинами. Основними методами одержання монокристалів германосілленіта для лазерних застосувань є методи Чохральського, оптичної зонної плавки. Отримання лазерних елементів цими методами пов'язане з великими матеріальними та енергетичними витратами, значна частина монокристалів губиться в процесі виготовлення кінцевого продукту (до 50%) з-за дефектів, включень, двійників, дислокацій і т.д. На сьогоднішній день основним виробником лазерних елементів на основі силленита є фірма Union Carbide Corporation, на частку якої припадає 40% виробництва. Собівартість одного лазерного елемента становить близько $ 1500 (за даними UC) У зв'язку зі складною економічною ситуацією в нашій країні виробництво лазерних елементів (НДІ "Полюс", АТЗТ "ІРЕА") повністю припинено.
Останнім часом ведуться інтенсивні дослідження в області мініатюрних лазерних компонентів, оскільки вони дають значні переваги перед об'ємним монокристалами, наприклад: високий рівень легування активного матеріалу для отримання високої ефективності (ККД орієнтовно до 80%) при невеликих енергіях накачування діода; висока компактність і технологічність ( час виготовлення лазерного елемента на основі об'ємного кристалу становить приблизно 3-4 діб., а на основі плівки за 2 години можна виготовити 80-100 елементів); розмір лазерної елемента на основі плівки не перевищує 1 мм2 (для кристалів 10-15 см3); низькі пороги генерації (17 мВт замість 50 мВт для кращих зразків обьемний кристалів.); відповідно більш високі ККД (80% замість 60%); малі відходи при виробництві кінцевого продукту і, як наслідок, зменшення собівартості.
Основною перевагою мініатюрних лазерів є можливість створення їх в інтегральному виконанні з скловолокном і діодним системою накачування. Даний напрямок можливо реалізувати виключно із застосуванням методу рідиннофазної епітаксії, чому і присвячена дана дипломна робота.
4.1.1 Оцінка собівартості лазерного елемента на основі монокристаллической плівки (за даними отриманими в результаті НДР)
Виробництво плівкового лазерного елемента складається з трьох основних стадій:
- Нарощування трьох шарів монокристаллической плівки на підкладку з іншого матеріалу;
- Полірування поверхонь;
- Нанесення відображають і захисних покриттів на елемент і складання.
Зростання складається з трьох етапів по 1 годині кожен, в результаті чого отримуємо 100 шт елементів.
Стадія полірування триває 6 годин, при цьому одночасно обробляються 100 шт елементів.
У зібраному вигляді лазер включає в себе 1000 елементів об'ємом 1 мм2 кожен. Отже для створення одного лазера необхідно провести 10 циклів нарощування-полірування.
Витрати на електроенергію на один цикл виробництва лазерного елементи:
| Стадія | Час на один цикл, годину | Витрачається потужність, кВт | Споживана потужність, кВт ∙ год |
| Епітаксиальні нарощування | 3 | 1,5 | 4,5 |
| Полірування | 10 | 2 | 20 |
| Збірка | 1 | 0,5 | 0,5 |
| Разом: | 25 |
На 10 циклів нарощування-шліфування лазерних елементів витрати електроенергії складуть: 25 * 10 = 250 кВт ∙ год;
ЗЕЛ = 250 ∙ 0,42 = 105 руб;
Витрати на заробітну плату працівників:
| Рід роботи | Час на один цикл, годину | З / п руб. / год | З / п руб / цикл |
| Нарощування | 3 | 10 | 30 |
| Полірування | 10 | 12 | 120 |
| збірка | 1 | 10 | 10 |
| Разом: | 160 |
За десять циклів витрати на З / п працівників складуть:
СЗП = 160 ∙ 10 = 1600 руб.
З урахуванням відрахування до фонду соціального страхування:
1600 ∙ 1,39 = 2224 руб.
Витрати на сировину і матеріали
Маса лазерного елемента близько 50 мг, при середній вартості сировини 1500 руб / кг (ОСЧ 9-12), вартість матеріалів для 1000 шт елементів:
СМ = 1000 ∙ 50 ∙ 10-6 ∙ 1500 = 75 руб.
Додаткові витрати на допоміжні реактиви (10% від основних):
75 ∙ 10 = 7,5 руб.
Накладні та інші витрати на виробництво лазерних елементів (10% від фонду З / П):
СН = 2224 ∙ 0,1 = 222,4 руб.
Амортизаційні відрахування
Загальна вартість обладнання близько 460000 крб. при нормі амортизації 20% відрахування на амортизацію виробничого устаткування складуть:
САМ = 460 000 ∙ 0,2 = 92000 руб.
Річний обсяг продукції складає близько 60 лазерів. На одиницю продукції лазера на основі монокристалічних плівок:
САМ = 92 000/60 = 1533,3 руб.
Витрати на утримання виробничої будівлі враховуються у вартості орендної плати, яка становить близько 55 000 руб / рік. для приміщення площею 50 кв м.
На одиницю продукції витрати на орендну плату складуть:
САР = 55000/60 = 916,7 руб.
Разом собівартість монокристалічних плівок для одного лазера становить:
З = 105 +2224 +75 +7,5 +222,4 +1533,3 +916,7 = 5083,9 руб.
У перекладі на доларовій еквівалент: (за курсом 22 крб. За 1 $).
$ 231
Оцінимо економічний ефект, c точки зору споживача, від заміни лазерних елементів на основі об `ємний кристалів на плівкові лазерні елементи.
Собівартість лазерного елемента на основі об `ємний монокристалів становить $ 1500,. вартість лазеной установки на її основі $ 20000. тобто вартість лазерного елемента становить 7,5%. Це пов'язано зі складною апаратурної схемою такого типу лазера, вимогою точності юстирування і великої потужності лампи накачування і призводить до того, що термін служби такого лазера 8 років. (За даними UC).
У вартості приладу для лікування вартість плівки складає ~ 30%, звідси вартість приладу ~ 1000 $ (з обліку собівартості монокристалічних плівок для одного лазера собівартість приладу для лікування ~ 770 $).
Оцінимо економічний ефект від заміни лазерної установки на об `ємний монокристалах на установку з плівковими монокристалічним лазерами.
Онкологічний центр, лікування в якому проходять 1000 осіб, хворих на рак, придбає 5 лазерних установок.
4.1.2 лазерна установка на основі об `ємний монокристалів:
вартість установки 440000 крб.
витрати на з / п обслуговуючого фахівця 12 ∙ 6000 = 72000 руб.
витрати на ел. енергію 5 ∙ 6800 ∙ 0,4 ∙ 0,42 = 5712 руб
Витрати, що припадають на одного хворого:
ЗОБ = (72000 +5712 + 5 ∙ 440000 / 8) / 1000 = 352,7 руб / чол ∙ рік
4.1.3 лазерна установка на основі плівкових лазерів:
вартість установки 22000 руб.
витрати на ел. енергію 5 ∙ 6800 ∙ 0,2 ∙ 0,42 = 2856 руб.
витрати припадають на одного хворого:
ЗПЛ = (2856 + 5 ∙ 22000/20) / 1000 = 8,35 руб.
Економічний ефект від заміни лазерної установки на об `ємний монокристалах на лазерну установку на основі плівкових лазерів припадає на одного хворого становитиме:
Е = 352,7 - 8,35 = 344,35 руб / чол.
що означає зменшення на 97,6%.
Економічний ефект з урахуванням витрат на НДР: (Таблиця 1.2.6.1)
Е = 344,35 × 1000 - 38630 = 340486,94 руб
4.2 Розрахунок витрат на проведення науково-дослідної роботи.
4.2.1 Розрахунок витрат на реактиви, сировина, матеріали.
У наступній таблиці наведено повний перелік усіх використовуваних при проведенні роботи реактивів і хімічних речовин.
таблиця 1.2.1.1., витрати на реактиви
| Назва | витрата, кг | ціна, грн. / кг | сума, руб. |
| Bi2O3 | 99,6 ∙ 10-3 | 350 | 34,86 |
| GeO2 | 0,76 ∙ 10-3 | 230 | 0,17 |
| Cr2O3 | 18,5 ∙ 10-6 | 860 | 0,02 |
| Разом: | 35,05 |
4.2.2 Розрахунок енергетичних витрат.
ЗЕ = М ∙ К ∙ Т ∙ Ц, де
ЗЕ - витрати на електроенергію;
М - паспортна потужність, кВт;
К - коефіцієнт використання потужності (0,7-0,9);
Т - час роботи приладу, год.;
Ц - ціна 1 кВт / год. електроенергії, Ц = 0,42 руб.
Витрати на електроенергію наведені в таблиці
таблиця 1.2.2.1, витрати на ел. енергію
| Найменування устаткування | М, кВт | До | Т, год. | Ц, руб. | ЗЕ, руб. |
| Установка епітаксільного зростання | 1,5 | 0,9 | 68 | 0,42 | 38,55 |
| разом: |
Інші витрати приймаємо рівними 10% від загальних витрат.
ЗЕ, Заг = ЗЕ + ЗПРОЧ = 38,55 + 3,855 = 42,41 руб.
4.2.3 Розрахунок заробітної плати.
Розрахунок основної заробітної плати.
Проводиться виходячи з місячної стипендії і числа відпрацьованих місяців:
ЗПІССЛ = 250 ∙ 7 = 1750 крб.
Розрахунок основної заробітної плати керівника.
ЗПРУК = 270 ∙ 7 + 480 ∙ 7 = 5250 руб.
Таким чином основна заробітна плата складе:
ЗПОСН = ЗПІССЛ + ЗПРУК = 1750 + 5250 = 7000 руб.
Додаткова заробітна плата складе 20% від суми основної заробітної плати:
ЗПДОП = 0,2 ∙ 7000 = 1400 руб.
Відрахування до фонду соціального страхування.
ОСОЦ.СТРАХ = 0,39 ∙ (7000 + 1400) = 3276,8 руб.
4.2.4 Накладні витрати.
Накладні витрати приймаємо в розмірі 70% від суми основної та додаткових заробітних плат:
РН = 0,7 ∙ (7000 +1400) = 5880 руб.
4.2.5 Розрахунок амортизаційних відрахувань.
Амортизаційні відрахування розраховуються за формулою:
А = Ф ∙ НА ∙ Т / (100 ∙ 12), де
Ф - вартість обладнання і приладів, т.руб.
НА - річна норма амортизації, становить 12%.
Т - час використання обладнання, міс.
таблиця 1.2.5.1., амортизаційні витрати
| Найменування устаткування | Кількість одиниць | вартість, т.руб. |
| установка | 1 | 300 |
| разом: | 300 |
Розрахунок амортизаційних витрат:
А = 300 ∙ 12 ∙ 7 / (100 ∙ 12) = 21,0 т.руб.
4.2.6 Кошторис витрат на проведення дослідження.
Таблиця 1.2.6.1., Кошторис витрат на проведення дослідження.
| № | найменування витрат | сума, т.руб. | питома вага окремих статей,% |
| 1 | Матеріали, сировина, реактиви | 0,035 | 0,09 |
| 2 | Енергетичні витрати: Електроенергія | 0,0386 | 0,1 |
| 3 | Основна зарплата: Дослідника керівників | 1,75 5,25 | 4,53 13,59 |
| Разом: | 7,0736 | ||
| 4 | Додаткова зарплата | 1,4 | 3,62 |
| 5 | Відрахування на соціальне страхування | 3,277 | 8,48 |
| 6 | Амортизаційні відрахування | 21 | 54,36 |
| 7 | Накладні витрати | 5,88 | 15,22 |
| Усього: | 38,6306 | 100 | |
5.1 Введення
Охорона праці в хімічній промисловості є загальноінженерної дисципліною, що вивчає правові, теоретичні та практичні заходи щодо забезпечення безпечних умов праці на виробництві заходів попереджуючих пожежі і вибухи.
У хімічній лабораторії охорона праці має велике значення, так як працюють стикаються із шкідливими і небезпечними речовинами, що виявляють небажаний вплив на організм. Знання фізико-хімічних властивостей речовин, правил техніки безпеки і протипожежної безпеки є обов'язковими для всіх працюючих і найважливішою умовою безаварійної роботи.
У даній дипломній роботі існують такі шкідливі виробничі фактори:
- Висока електрична напруга 220/380 В і сила струму до 200 А;
- Високі температури до 900 С °;
- Дрібнодисперсний порошок оксиду германію (GeO2), оксиду вісмуту (Bi2O3);
- Пари легколетучие рідини соляної кислоти (HCl).
5.1.1 Характеристика застосовуваних реактивів і препаратів.
GeO2 - білий порошок; М = tпл = 1115 ° С, щільність - 4,7 г./см3. Розчинність у воді становить 0,4% (при 20 ° С). У лугах розчиняється з утворенням германатов.
Гранично допустима концентрація GeO2 в повітрі - 2 мг/м3.
Токсичність.
При тривалому вдиханні GeO2 можуть спостерігатися стійкі захворювання легенів звані силікоз.
Bi2O3 - порошок лимонно - жовтого кольору, М = 465,96; tпл = 820 ° С, щільність - 8,9 г./см3. Не розчинний у воді.
Токсичні властивості Bi2O3 не вивчені.
Соляна кислота HCl.
М = 36,5. Безбарвна негорюча рідина tпл = 17 ° С, кипить з розкладом. Концентрована кислота (37%) має щільність - 1,183 г./см3.Растворіма у воді.
Туман соляної кислоти викликає різку хворобливість шкіри обличчя. При високій концентрації парів кислоти - подразнення слизових оболонок, особливо носа, кон'юнктивіт, помутніння рогівки, захриплість, нежить.
ГДК в повітрі робочої зони 5 мг/м3. Клас небезпеки - 2. ГДК у воді водоймищ санітарно-побутового водокористування - 10 мг / л.
5.1.2 категоріювання лабораторного приміщення
На підставі наведених вище властивостей, що застосовуються в роботі речовин лабораторне приміщення можна віднести до пожежонебезпечної категорії В.
Будівля цегляна, ступінь вогнестійкості II, отже, число поверхів і відстані між ними не обмежені.
5.1.3 Класифікація за ПУЕ.
За ПУЕ лабораторія відноситься до класу приміщень В-Iб. У приміщеннях даного класу можливе утворення горючих парів і газів, що мають високий НКМЗ і різкий запах, легко що виявляється органолептично, а також приміщення, в яких утворення вибухонебезпечних концентрацій можливо на окремих ділянках, і приміщення, в яких горючі гази і рідини є в невеликих кількостях. У приміщеннях класу В-Іб допускаються установка не вибухозахищеного обладнання, яке, однак, повинно бути бризкоозахищеного, не іскрять за умовами роботи. Електричні світильники можуть бути в закритому і відкритому виконаннях.
5.1.4 Заходи електробезпеки.
У лабораторії використовується змінний струм промислової частоти 50 Гц, напругою 220 В. За небезпеки ураження людей електричним струмом лабораторне приміщення належить до I категорії - без підвищеної небезпеки. Вона характеризується наступними ознаками:
- - Відносна вологість повітря не менше 80%,
- - Температура навколишнього середовища менше 27 ° C.
Для забезпечення безпеки умов роботи струмовідні частини електрообладнання ретельно ізолюються, елементи установки, які можуть опинитися під напругою, заземлюються мідним дротом на електричний щит, причому опір заземлення не більше 4 Ом.
5.1.5 Виробнича санітарія.
Загальна площа лабораторії становить 42,2 м2, висота - 3,6 м, об'єм - 151,9 м3.
Згідно СН 245-71 обсяг приміщення на кожного працюючого повинен складати не менше 15 м3, а площа виробничого приміщення, виробленою стінами або глухими перегородками, повинен бути не менш 4.5 м2 на кожного працюючого.
Таким чином, у лабораторії можуть працювати 6 осіб.
5.1.6 Вентиляція.
У лабораторії передбачена природна і штучна витяжна вентиляція. Для забезпечення безпеки роботи з шкідливими речовинами в лабораторії встановлено три витяжних шафи. Швидкість руху повітря у витяжній шафі забезпечує можливість роботи з речовинами I і II класів небезпеки. У лабораторному приміщенні кратність повітрообміну за нормою 3-5 год-1.
5.1.7 Освітлення.
Для раціональної організації праці на робочому місці важливе значення має правильне освітлення.
Освітлення лабораторії природне (є два вікна загальною площею 19,89 м2) і штучне - люмінесцентними лампами денного світла. Коефіцієнт природної освітленості для лабораторії КЕО = 1,5%, що відповідає СН і П. Для штучного освітлення мінімальна освітленість за нормами для робіт IV класу точності має становити 300 лк.
Опалення.
У холодну пору року - система водяного центрального опалення, що забезпечує температуру 17-25 ° C.
Джерелом водопостачання служить міський водопровід. Водопостачання - господарсько-питного якості.
В лабораторії є каналізація з гідрозатворів. Усі шкідливі речовини збираються в спеціальній ємності для подальшої утилізації і нейтралізації.
5.1.8 Водопостачання.
В лабораторії є господарсько-побутова каналізація з гідрозатворів. Шкідливі речовини збираються в спеціальні ємності для подальшої утилізації і нейтралізації. Злив їх у каналізацію заборонений.
Для забезпечення безпеки струмоведучі частини електрообладнання ізолюються, нагрівальні елементи захищаються шаром теплоізоляційного матеріалу.
З метою протипожежної безпеки в лабораторії є:
- Внутрішній пожежний водопровід,
- Ящик з піском,
- Помпи, вогнегасники (ОУ-5 в кількості 2 шт. І один ОХП-10),
- Азбестова кошма.
5.1.9 Режим особистої безпеки.
Для індивідуального захисту використовуються гумові рукавички, х / б халати, захисні окуляри, марлеві пов'язки, респіратори. Для надання першої допомоги - аптечка. Працюючим видається молоко. Персонал повинен пройти вступний та первинний інструктаж, а потім стажування на робочому місці протягом не менше 10 днів з наступним іспитом.
6 Охорона навколишнього середовища від промислових забруднень.
[60].
6.1 ВСТУП.
Однією з проблем, що стоять перед інженером - технологом, є охорона навколишнього середовища. Рішення сьогоднішніх екологічних проблем полягає у створенні екологічно безпечних, маловідходних і безвідходних технологічних процесів, виробництв і територіально-виробничих комплексів, тобто технологічних процесів і виробництв, що вписуються в природні системи і відрізняються високим ступенем інженерно-екологічного досконалості, з надійними методами прогнозування наслідків технічних рішень та чіткою системою контролю викидів.
Всі проекти на будівництво і реконструкцію промислових підприємств повинні піддаватися екологічну експертизу і не затверджуватися без усіх питань охорони навколишнього середовища у зв'язку з високим сучасним рівнем розвитку науки і техніки.
Охорона навколишнього середовища є складовою частиною програми раціонального використання природних багатств. На сьогоднішній день розвиток науково-технічного прогресу і пов'язані з ним грандіозні масштаби людської діяльності призвели до різкого погіршення стану навколишнього середовища.
Електронна промисловість є однією з найбільш прогресивних у науково-технічному плані. Основне завдання - створення таких технологічних схем, у яких передбачається практично повна ліквідація шкідливих викидів у навколишнє середовище. У результаті використання нових технологій і матеріалів можна збільшити термін служби приладів, зменшити відсоток браку, габарити приладів, що дає можливість зменшити кількість відходів та витрат на їх переробку.
6.2 Екологічна характеристика теми роботи.
Ця дипломна робота полягає в отриманні плівок германосілленіта, легованих хромом методом рідиннофазної епітаксії. На різних етапах роботи як забруднювачів навколишнього середовища можуть виступати наступні з'єднання:
- Пил GeO2, Bi2O3, Cr2O3. Вона утворюється на всіх етапах підготовки шихти, вловлюється системами витяжної вентиляції і викидається в атмосферу.
- Соляна кислота, яка використовується для відмивання тиглів і підкладок від залишків розплаву.
Дана робота є дослідницькою, у зв'язку з цим викиди в навколишнє середовище мінімальні.
6.3 Токсикологічна характеристика сировини, реагентів, проміжних і кінцевих продуктів.
Оксид хрому (III) Cr2O3
Темно - зелений порошок, ТП.Л. = 2235 оС,, ρ = 5,21 г/см3
При тривалому впливі низьких концентрацій ураження слизової носової перегородки обмежується поверхневою ерозією. Найбільш характерні ураження печінки, страждають також і нирки.
При дії хрому на організм розвиваються сильні ураження дихальних шляхів з розвитком бронхоспазму та бронхіальної астми в результаті сенсибілізації; алергічні захворювання шкіри: дерматити, виразки. Тривале вдихання аерозолів сполук хрому (IV) (III) веде до субаттрофіческім змін слизових оболонок дихальних шляхів, ураження органів дихання аж до розвитку пневмосклерозу.
ПДКР.З. = 1,0 мг/м3, ГДК С.С. .= 0,01 мг/м3
Оксид германію GeO2
GeO2 - білий порошок; М = tпл = 1115 ° С, щільність - 4,7 г./см3. Розчинність у воді становить 0,4% (при 20 ° С). У лугах розчиняється з утворенням германатов.
Гранично допустима концентрація GeO2 в повітрі - 2 мг/м3.
Токсичність.
При тривалому вдиханні GeO2 можуть спостерігатися стійкі захворювання легенів звані силікоз.
Оксид вісмуту Bi2O3
Bi2O3 - порошок лимонно - жовтого кольору, М = 465,96; tпл = 820 ° С, щільність - 8,9 г./см3. Не розчинний у воді.
Токсичні властивості Bi2O3 не вивчені.
Соляна кислота HCl.
М = 36,5. Безбарвна негорюча рідина tпл = 17 ° С, кипить з розкладом. Концентрована кислота (37%) має щільність - 1,183 г./см3.Растворіма у воді.
Туман соляної кислоти викликає різку хворобливість шкіри обличчя. При високій концентрації парів кислоти - подразнення слизових оболонок, особливо носа, кон'юнктивіт, помутніння рогівки, захриплість, нежить.
ГДК в повітрі робочої зони 5 мг/м3. Клас небезпеки - 2. ГДК у воді водоймищ санітарно-побутового водокористування - 10 мг / л.
6.4 Переробка і знешкодження твердих відходів.
Залишки шихти після вирощування плівок силленита виплавляється і йшли на утилізацію.
6.5 Переробка і знешкодження рідких відходів.
Використовувану для відмивання плівок соляну кислоту збираємо в призначену для цього ємність і надалі нейтралізовувати содою перед зливом в каналізацію.
6.6 Укрупненная оцінка економічного збитку від забруднення атмосфери.
У процесі проведення дипломної роботи в атмосферу можуть потрапити незначні кількості речовин, що використовуються для приготування шихти. Розрахунок можливого збитку від забруднення атмосфери розраховується за формулою:
, Де
- Питома збиток від викиду в атмосферу однієї умовної тонни забруднюючих речовин, = 2,4 руб. / усл.т
М-приведена маса річного викиду, , Де
mi - кількість що поступає в атмосферу речовини i-го типу;
- Показник відносної агресивності.
Для визначення показників відносної агресивності користуються формулою:
, Де
ai - характеризує відносну небезпеку присутності домішки в повітрі, вдихуваному людиною;
αi - поправка, що враховує ймовірність накопичення вихідної домішки або вторинних забруднюючих речовин у компонентах навколишнього середовища і ланцюгах живлення, а також надходження домішки в організм людини не інгаляційним шляхом;
δi - поправка, яка характеризує шкідливий вплив домішки на інших реципієнтів (крім людини);
λi - поправка на ймовірність вторинного закидання домішки в атмосферу після їх осідання на поверхні (для пилу);
βi - поправка на ймовірність утворилися з початкової домішок, викинутих в атмосферу, (вторинних) забруднюючих речовин, більш небезпечних, ніж вихідні (для легких вуглеводнів);
Показник ai задає рівень небезпеки для людини речовини i-го типу по відношенню до рівня небезпеки оксиду вуглецю:
ai = ((ПДКс.с зі ∙ ГДК Р.З зі) / (ПДКс.с i ∙ ГДК Р.З i)) 0.5 = (60 / (ПДКс.с i ∙ ГДК Р.З i)) 0.5
ПДКс.с i і ГДК Р.З i взяті з довідника [74].
| Речовина | ПДКс.с, мг / м3 | ПДКР.З, мг / м3 |
| GeO2 | 0,005 | 2 |
| Bi2O3 | 0,0 04 | 2 |
| Gr2O3 | 0,015 | 0,01 |
Приклад розрахунку ai:
ACr2O3 = (60 / 0,015 ∙ 0,010) 0.5 = 4472,14
розрахунок інших аналогічний наведеному.
| Речовина | ai, усл.т / т | λi | αi | βi | δi | Ai |
| GeO2 | 77,46 | 1 | 2 | 1 | 1 | 154,92 |
| Bi2O3 | 86,6 | 1 | 2 | 1 | 1 | Січень 1973 |
| Gr2O3 | 632,46 | 1 | 5 | 1 | 1 | 3162,3 |
Приймемо, що за час проведення дипломної роботи утворилося близько 0,5 гр. кожного компонента.
= (154,92 + 173 + 3162,3) ∙ 5 ∙ 10-7 = 17451,1 × 10-6 т
тому що інститут розташований у центрі міста = 8
швидкість осідання часток для тонкодисперсних порошків приймемо V <20 м / с
різниця температур усередині приміщення і в навколишній атмосфері становить 150С
Для обліку підйому факела використовуємо поправку:
φ = 1 + Δt/75 = 1 +15 / 75 = 1,2
Висота труби - 32 м
Величина поправки на характер розсіювання домішки:
f = f2 = [1000 / (60 + φ ∙ h)] 0.5 ∙ [4 / (1 + U)]
U - значення модуля швидкості вітру на рівні флюгера приймаємо рівним 3 м / с
f = f2 = [1000 / (60 +1,2 ∙ 32)] 0.5 ∙ [4 / (1 +3)] = 3,188
УАТМ = 2,4 ∙ 8 ∙ 3,188 ∙ 174511 ∙ 10-7 = 1,06 руб.
Як видно з розрахунку, збиток від викиду в атмосферу пилу використовуваних речовин, незначний.
6.7 Укрупненная оцінка збитків від забруднення водойм.
Шкоди навколишньому середовищу в даній дипломній роботі може бути завдано в результаті неправильного поводження з рідкими відходами наприклад з соляною кислотою, яка використовується для промивки підкладок від залишків шихти і повинна бути потім нейтралізована.
Розрахунок збитків виробляємо за формулою:
, Де М - наведена маса забруднюючих речовин розраховується за формулою:
Розрахунок проводимо для HCl, загальна кількість якого 250 гр. в перерахунку на 100%
АHCl = 1/ПДКHCl = 1 / 0, 005 = 200
М = 200 ∙ 250 ∙ 10-6 = 0,05 усл.т
Відведення = 400 ∙ 2,6 ∙ 0,05 = 52 крб.
6.8 Висновки.
Проведення дипломної роботи не завдає значної шкоди навколишньому середовищу. Можливий збиток становить 53,06 руб. У результаті знешкодження рідких відходів виключається забруднення водойм. Фактичний збиток - 1,06 руб., Відвернений збиток - 52 крб.
7 Список літератури.
1. А.А. Ballman, J. Cryst. Growth; 1961, I, 37 /
2. SC Abrahams; PB Jamieson; JL Bershtein; J. Chem. Phys. 1967,47,4034.
3. LG Sillen; Arkiv Kemi, Mineralogy and Geology 12A, 1-13, 1937.
4. EM Levin; J. Am. Cer. Soc. 46 (1), 59-60, 1963.
5. А.А. Майер, Дисертація на здобуття наукового ступеня д. х. н., М. 1974.
6. Т.А. Бабонас, Е.А. Жогова, Ю.Г. Зарецький, Г.А. Курбатов, Ю.І. Уханов, Ю.В. Шмарцев, Фізика твердого тіла (ФТТ), 1982, 24, № 7.
7. S. Venugopalan, AK Ramdas, Phys. Pev., 5, 1972.
8. EM Levin; J. Am. Cer. Soc. 46 (1), 2005-2015, 1963.
9. PV Lenzo, Spenser, Ballman, Appl, Phys., Let., 9, 290, 1966.
10. PV Lenzo, Spenser, Ballman, Appl, Phys., Opt., 5, 1688, 1965.
11. PV Lenzo, Spenser, Ballman, Phys., Rev., Let., 19, 641, 1961
12. PV Lenzo, Spenser, Ballman, Proc., JEEE, 55, 2074, 1967.
13. Є.І. Сперанський, А.А. Аршакуні, Система Bi2O3 - GeO2. / / ЖНХ. - 1964. - Т.9, № 2. - С. 414 - 421.
14. Є.І. Сперанський, В.М. Скориков, Г.М. Сафронов, Г.Д. Міткіна, Система Bi2O3 - SiO2. / / Изв. АН СРСР. Сер.: Неорг. Мат-ли .- 1968. - Т. 4, № 8 - с. 1374 - 1375.
15. Г.М. Сафронов, В.М. Батіг, Ю.І. Красилів, В.І. Пахомов, П.М. Федоров, В.І. Бурков, В.М. Скориков, Изв. АН СРСР, серія "неорганічними. матеріали ", 4, 2, 1965.
16. L. Vitert, J. Amer. Cer. Soc., 48, лютий 1965
17. А.С. Сонін, А.С. Василевська, електрооптичні кристали, М., 1971.
18. Л.М. Дмитрук, Вплив деяких технологічних параметрів на процес зростання та властивості монокристалів зі структурою силленита (силікат, германат, титанат вісмуту) / / Кандидат. дисертація, МХТИ, 1970,177 с.
19. С.С. Каринська, Пристрій обробки сигналів на ультразвукових поверхневих хвилях. / / Радянське радіо. - 1975. - Стор 163.
20. В.І. Речицький, Лінії затримки на поверхневих акустичних хвилях. / / Зарубіжна радіоелектроніка. - 1979. - № 10 стор 59 - 71.
21. Н.І. Кацавец, Є.І. Леонов, І. Мумінов, В.М. Орлов, Фотопровідність легованих кристалів Bi12TiO20 і твердих розчинів Bi12SixTi1-xO20. / / Листи до ЖТФ. 1984 .- т.10, № 15,-стор. 932 - 936.
22. В.Н. Батіг, В.І. Бурков, "Кристалографія", 15, 5, 928, 1969.