РОЗДІЛ II. МЕТОДИКИ ДОСЛІДЖЕННЯ КОНДЕНСАТОРНИХ СИСТЕМ, СФОРМОВАНИХ НА ОСНОВІ АКТИВОВАНИХ ВУГЛЕЦЕВИХ МАТЕРІАЛІВ
2.1. Способи виготовлення електрохімічних конденсаторних систем з активованих вуглецевих матеріалів
Дослідження АВМ, що використовуються в якості електродів ЕК здійснювалось в двох- і трьохелектродних скляних комірках (рис. 2.1). Електроди виготовлялися із суміші досліджуваного активного матеріалу, струмопровідної добавки, в якості якої використовувалася ацетиленова сажа або графіт KS -15 фірми "Lonza" та зв'язуючого компонента - фторпласту Ф-42Л у співвідношенні 75 : 20 : 5 вагових %. Після цього проводилось механічне перемішування складників для отримання однорідної суміші, додавався ацетон для досягнення пастоподібної консистенції, яку наносили на нікелеву сітку розміром 10?5 мм2 і підпресовували. Після висушування отримані електроди опускалися в скляну комірку з розчином відповідного електроліту і проводилася її герметизація. Всі операції щодо виготовлення комірки проводилися в сухому боксі, осушеному P2O5, в атмосфері агрону.
Якість отриманих в процесі різного роду модифікацій вуглецевих матеріалів контролювалась показниками внутрішнього опору та питомої ємності ЕК у макетах типорозміру "2525" (рис. 2.2). Для цього з отриманого матеріалу формувалися електроди ЕК у формі ламельок із суміші складу:
<АВМ>:<СД>:<ЗМ>=<75>:<20>:<5>,
де АВМ - отриманий вуглецевий матеріал, СД - струмопровідна добавка (ацетиленова сажа, графіт KS-15 фірми "Lonza"), ЗМ - зв'язуючий матеріал (фторпласт Ф-42Л). Сила пресування складала 150 Н/м2.
2.2. Визначення елементарного складу АВМ методом ВІМС
Метод ВІМС (вторинної йонної мас-спектрометрії) базується на вимірюванні характеристик вторинних йонів відповідних атомів, що входять до складу матеріалу зразка, який бомбардується пучком первинних йонів Ar+ з енергією 1-20 кеВ.
Внаслідок взаємодії пучка йонів Ar+ p з поверхнею вуглецю можна виділити чотири основні процеси, представлені на рис. 2.3. Ймовірність того, що певний елемент буде розпилений визначається поверхневою енергією зв'язку і залишковим тиском газу в вимірювальній камері. Вимірюючи кількість емітованих вторинних частинок, їх масу, розподіл по глибині, можна вивчати склад, атомну і електронну структуру поверхні досліджуваного матеріалу.
В загальному випадку спектр вторинних йонів включає йони різних типів: одноатомні йони основного матеріалу; йони двох-, трьох- і більше багатоатомних кластерів; йони атомів домішок, що входять в об'єм та адсорбовані на поверхні зразка; йони хімічних сполук, в тому числі сполук основного матеріалу з киснем, азотом, воднем і іншими домішками. Відповідно, кількість і розташування піків в мас-спектрі і їх амплітуда істотно залежить від хімічного складу матеріалу в об'ємі і в приповерхневому шарі.
Розшифровку мас-спектрів зразків з невідомим хімічним складом здійснювалось за методикою, описаною в [69, 70], яка полягала у встановленні відповідності лініям експериментального мас-спектру в залежності від їх положення та інтенсивності на енергетичній шкалі конкретним елементам чи кластерам йонів.
Нами були виконані мас-спектрометричні дослідження на мас-спектрометрі МС-7201 з йонним джерелом типу Пеннінга, яке забезпечує первинний йонний струм йонів Ar+ з енергією 3-5 кеВ і густиною ~ 5мкА/мм2 й менше. Діаметр плями травлення складає 1-3 мм. Кут бомбардування первинними йонами відносно нормалі до поверхні зразків становив 45°. Тиск залишкових газів в камері об'єкту не перевищував (7?8)·10-6 Па, парціальний тиск робочого газу при працюючому джерелі йонів - (4?12)·10-5 Па. Аналізатор вибраний на базі монопольного мас-фільтру. Нами проводився як аналіз елементного складу досліджуваних зразків, так і розподіл елементів по глибині зразка.
При аналізі елементного складу необхідно враховувати той факт, що при розпиленні поверхні йонами Ar+ масоперенос навіть основного елементу С здійснюється за допомогою сукупності одноатомних і кластерних йонів даного елементу, а також його сполук з адсорбованими і домішковими частинками. Найтиповіші в даному випадку є такі адсорбовані молекули як H2, O2, H2O, CO, CH2, а також їх фрагменти HO, CH і ін. Різна відносна чутливість також не дає можливості проводити аналіз складу поверхні, адекватний реальному складу зразка. ВІМС дозволяє знайти будь-який елемент з концентрацією ? 1014 см-3.
ВІМС профілювання зводиться до реєстрації мас-спектрального сигналу від вибраних вторинних йонів як функції часу розпилення. У випадку однорідного по глибині травлення, виміривши максимальну глибину травлення, час йонного травлення можна легко перерахувати в концентраційні профілі глибини залягання тих чи інших компонент.
Зміна інтенсивності мас-спектральних ліній вторинних йонів по товщині визначається зміною концентрації елементів по цій товщині. При цьому амплітуду піку мас-спектра з великою мірою достовірності можна вважати мірою концентрації аналізованого елемента.
Товщина аналізованого шару регламентувалася швидкостями йонного травлення, яка, в більшості випадків, не перевищує 0,05 - 0,1 нм/с для йонів аргону з енергією травлення 3-10 кеВ. [71, 72].
Внаслідок йонного травлення утворюється кратер, який збільшується в процесі розпилення. Кратер має складну форму, обумовлену нахилом осі пучка до поверхні і гаусівським розподілом густини йонного струму по його перерізу [73].
Вторинні йони збираються в аналізатор зі всієї поверхні кратера травлення, тому по мірі просування в глибину необхідно враховувати вклад емісії з його бокових стінок. Вторинну емісію негативних йонів можна описати за допомогою виразу:
,
де N - концентрація досліджуваних атомів в матриці; ? - робота виходу; А - "спорідненість" з електроном; ? - параметр, що залежить від нормальної складової швидкості йону і характеру його електронної взаємодії з поверхнею.
При певних умовах (наприклад, зміна швидкості у вузькому діапазоні) параметр ? можна вважати пості