Al / PTFEナノラミネートとの統合に基づく強化されたエネルギー性能

要約

エネルギー物質をチップに統合することは、電気開始装置を含むマイクロスケールのエネルギー消費システムにおけるその広く潜在的な用途で大きな注目を集めています。この記事では、周期的な層構造を持つ反応性Al / PTFEナノラミネートをマグネトロンスパッタリングによって調製します。マグネトロンスパッタリングは、準安定システム内の燃料Al、酸化剤PTFE、および不活性層Al-F化合物で構成されます。堆積したままのAl / PTFEナノラミネートは、非常に高いエネルギー出力を示し、開始温度と反応熱は、それぞれ410°Cと3034 J / gです。これらの特性に基づいて、統合フィルムブリッジは、Al / PTFEナノラミネートをCu爆発フォイルと統合することによって設計および製造されます。これは、より激しい爆発現象、大量の放出物、およびより高いプラズマ温度を備えたエネルギー性能の向上を示します。 Cuフィルムブリッジ。 Cuフィルムブリッジの膨張に由来するフライヤーの運動エネルギーも、Al / PTFEナノラミネートとの統合により約29.9％増加します。全体として、Al / PTFEナノラミネートの化学反応と、Cuフィルムブリッジの電気爆発を組み合わせることで、エネルギー性能を大幅に向上させることができます。

背景

過去10年間で、ナノ構造のエネルギー材料の研究は、低い発火温度、急速なエネルギー放出、高いエネルギー密度、調整可能な反応性などの優れたエネルギー性能により、世界的な関心と研究の関心の高まりを受けてきました[1,2,3,4,5 、6、7、8、9、10]。これらの材料によって蓄積された化学エネルギーは、電気的、光学的、衝撃、または熱的作動時に放出され、二次反応の開始[11]、材料の接合[12]、自動車などの軍事目的および民間用途に使用できます。エアバッグ推進剤[13]、および電源[14]。ナノ粉末の物理的混合、高密度ナノコンポジットの停止反応性ミリング、電気泳動ナノエネルギーコーティング、およびナノラミネートの定期的な堆積を含む多くの方法が、ナノ構造のエネルギー材料を製造するために導入されています[15、16、17、18、19]。これらの方法の中で、2つ以上の異なる膜を交互に堆積することによるナノラミネートの製造は、層の数と単分子層の厚さを容易に制御し、その結果、それらのエネルギー性能を調整するため、調整可能なエネルギー性能を備えたデバイス統合のための魅力的な構造を提供します。

爆発フォイルイニシエーター（EFI）は、二次反応の開始に使用される発電花火装置の一種です[20]。電気パルスを印加した後、電流密度が瞬時に増加すると、金属膜ブリッジが気化し、高圧プラズマが発生します。次に、フィルムブリッジのフライヤーがせん断されて加速され、爆発物に衝撃を与えます。電気点火装置の小型化と低エネルギー開始の要件が高まる中、機能的なナノエネルギーオンチップ（NOC）を実現するためのマイクロエレクトロニクスおよび機械システム（MEMS）技術に基づく金属膜ブリッジとナノエネルギー層の統合は有望です。 EFIの開発のためのオプション。エネルギー物質の反応熱と従来の金属フィルムブリッジの電気ジュールを組み合わせることで、コンパクトなサイズで低エネルギーの開始でEFIの電気爆発性能を向上させることができます。

Al / PTFEナノラミネートフィルムは、以下の理由からEFIとの統合が期待されます。第一に、金属Alは、酸化中のエネルギー密度とエネルギー解放率が高い一般的な材料です。一方、PTFEのフッ素含有量は最大76 wt。％であり、金属Alと反応してAlF ₃を形成する可能性があります。理論上のエネルギー放出は5571J / gと高くなっています[21]。第二に、大気条件でのPTFEフィルムの熱分解とオキシカーバイドの反応生成物に由来する潜在的なガス放出は、生成されたプラズマの圧力を増加させる可能性があり、これはフライヤーのせん断と加速に有益です[22]。この論文では、統合されたフィルムブリッジは、Al / PTFEナノラミネートをCu爆発フィルムブリッジと統合することによって設計および製造されました。堆積したままのAl / PTFEナノラミネートの構造と化学組成は、TEMおよびXPS分析によって研究されました。統合されたAl / PTFEナノラミネートが電気的開始性能に及ぼす影響を、電気爆発試験を通じて調査しました。

メソッド

Al / PTFEナノラミネートの堆積

Ａｌ／ＰＴＦＥナノラミネートは、直流マグネトロンスパッタリングおよび高周波マグネトロンスパッタリングによって、それぞれＡｌ層およびＰＴＦＥ層を交互に堆積させることによって調製された。スパッタリングに使用したターゲットは、直径100 mmの純アルミホイル（純度> 99.999％）とポリテトラフルオロエチレンホイル（純度> 99.99％）でした。複数の交互堆積を実現するために、回転基板テーブルが採用された。膜堆積のベース圧力は5×10 ^{− 4} 未満でした Pa、およびアルゴンガスはガス媒体として導入されました。最適化された膜品質と安定した堆積速度を得るために、堆積パラメータは、PTFE層では1.1 Pa、300 W、Al層では0.45 Pa、100Wに設定されました。

（Al / PTFE）_nの準備 / Cu-統合EFI

（Al / PTFE）_n / Cuフィルムブリッジは、直径3インチのアルミナセラミック基板上にマグネトロンスパッタリングとMEMS技術によって作成されました。（Al / PTFE）_nの製造プロセス / Cuフィルムブリッジを図1に示します。各ユニットは、下部のCu爆発フィルムブリッジ、Cuフィルムブリッジの上部に堆積された長方形のAl / PTFEナノラミネートフィルム、およびに配置されたCuパッドの2つのランドで構成されています。 Al / PTFEナノラミネートの両面。

蒸着前に、アセトン、アルコール、脱イオン水を使用して、基板を10分間超音波洗浄しました。次に、洗浄した基板をアルゴンガスでブロー乾燥し、120°Cで1時間熱処理してさらに乾燥させました。乾燥後、DCマグネトロンスパッタリングにより、洗浄した基板上に厚さ2μmのCu層を堆積させた。続いて、堆積したままのCu膜をフォトリソグラフィーでパターン化し、銅エッチング剤（CE – 100）でウェットエッチングしました。パターン化されたCu膜ブリッジの寸法は600μm×600μmでした。次に、厚さ約2μmのAl / PTFEナノラミネートをCu膜ブリッジの上部に堆積し、画像反転リフトオフプロセスでパターン化しました。Ａｌ／ＰＴＦＥナノラミネートをスパッタリングするための積層順序は、Ａｌ／ＰＴＦＥ／Ａｌ／ＰＴＦＥ／Ａｌであり、Ａｌ層が最上層として残された。その後、電圧源に接続するために、マスクでパターン化された2つのCuコンタクトパッドをAl / PTFEナノラミネートの両側に積み重ねました。最後に、完成したサンプルを個々のユニットにダイシングしました。

Al / PTFEナノラミネートの特性評価

Al / PTFEナノラミネートの結晶化度と構造の微視的特性評価は、透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して実行されました。 X線光電子分光法（XPS）により、Al層とPTFE層の界面の化学組成を測定するために、厚さ約1nmのAl膜をPTFE層に堆積させました。 PTFEナノラミネートを基板から廃棄し、示差走査熱量測定（DSC）によるエネルギー放出の分析のためにアルミナるつぼに移しました。各テストのサンプル質量は約10mgで、テストは25〜800°Cで、流れるアルゴン中で10°C /分の加熱速度で実行されました。

フィルムブリッジの電気爆発試験

サンプルの電気爆発特性は、電気爆発測定システムによってテストされました。これは、Cu / Al / CuOフィルムブリッジに関する以前のレポート[23]と同様です。電気爆発温度特性は、「銅元素の二重線原子発光分光法」に基づく電気爆発温度診断モードによって決定されました[24、25]。電気爆発現象は、毎秒20,000フレームの高速度カメラによって同期的に記録されました。フライヤーの加速プロセスは、フライヤーを運転する能力を調査するために、フォトニックドップラー速度測定（PDV）によって取得されました。

結果と考察

Al / PTFEナノラミネートの特性評価

Al / PTFEナノラミネートの断面TEM画像を図2aに示します。 Al層とPTFE層は垂直方向に周期的に配置されており、よく整列した層構造がはっきりと見えます。暗いストリップはAl層に対応し、明るいストリップはPTFE層に対応します。 Al層とPTFE層は簡単に区別でき、Al層とPTFE層の間の波状の界面も画像に表示されます。 Al層とPTFE層の単分子層の厚さはそれぞれ約50nmと75nmです。 Al層とPTFE層の高解像度画像を図2b、cに示し、電子線回折パターンを挿入します。 Al膜の格子配列がはっきりと観察でき、明確なナノ多結晶構造を示しています。 PTFEフィルムは広く拡散したリングを示しますが、アモルファス構造を示しています。周期的な層構造は、エネルギーを放出するためのAl層とPTFE層の間の界面拡散に有益です。均一な膜厚は、各層の厚さと層の数を変更することにより、調整可能なエネルギー性能も可能にします。

Al層とPTFE層の界面化学組成をさらに確認するために、Al膜、PTFE膜、および表面に厚さ約1nmのAl層が堆積したPTFE膜のサンプルに対してXPS分析を実行します。図3aは、厚さ約1nmのAlが堆積したAl膜とPTFE膜のAl2pコアレベルスペクトルを示しています。 72.2 eVの結合エネルギー（BE）で現れたAl 2pコアレベルのピークは、金属Alによるものです。 Al膜からの75.4eV、およびPTFE膜上に堆積した〜1nmのAlからの75.6eVのピークは、酸化されたアルミニウムに起因する可能性があります。表面にAlが堆積していないPTFEフィルムと比較して、Al ³⁺ と一致するAl2pコアレベルのピークより高い結合エネルギーにわずかにシフトします。これは、AlとPTFEの反応によって引き起こされる可能性があります[26、27]。一方、図3bは、〜1nmのAlの堆積前後のPTFEフィルムのF1sコアレベルの変化を示しています。 686.6 eVのピークは、AlF ₃のAl-F結合とよく一致します。、これは、化学反応が膜堆積の初期段階でAl層とPTFE層の間の界面で起こることを明確に示しています。これらの結果は、Al / PTFEナノラミネートが、燃料Al、酸化剤PTFE、および不活性層Al-F化合物からなる準安定反応システム内にあることも証明しています。 Al / PTFEナノラミネートの界面に存在する少量のAl-F結合は、Al / PTFEナノラミネートの高エネルギー密度と安定性を維持するための重要なコンポーネントであるPTFEとAl間の連続反応を妨げる可能性があります[28]。

Al / PTFEナノラミネートの熱放出特性は、DSCによって、25〜800°Cの温度範囲で、流れるアルゴン中で10°C /分の一定の加熱速度でテストされました。図4に示すように、主要な発熱ピークは507°Cの温度値で急激に上昇することが観察されます。これは、AlとPTFEの間の酸化還元反応に関連しています。 Al / PTFEナノラミネートの開始反応温度は410°Cであり、反応熱は、時間に対する正の発熱熱流を積分して計算すると、約3034 J / gです。 Al / PTFEナノラミネートは、比較的低い開始反応温度で非常に高いエネルギー出力を示します。反応熱は理論上の最大値を下回っていることに注意してください。これは、温度上昇中に不完全な反応が原因である可能性があり、界面でのAl-F化合物層の形成により、熱放出がわずかに減少します。

（Al / PTFE）_nの電気的開始性能 / Cuフィルムブリッジ

Al / PTFEナノラミネートの構造と発熱特性に基づいて、Al / PTFEナノラミネートをCu爆発フィルムブリッジと統合することにより、統合フィルムブリッジを製造しました。 Cuフィルムブリッジと（Al / PTFE）_nの電気的開始現象の一連の高速ビデオフレーム / Cuフィルムブリッジは、図5に示すように、2500Vの放電電圧で記録されました。隣接する画像の間隔は50μsです。蓄積された電気エネルギーをブリッジを通して放電した後、明るいフラッシュを伴う激しい電気爆発プロセスがCu膜ブリッジで観察されます。これは、Cu膜ブリッジで発生した固体プラズマからイオン化プラズマへの急速な状態変化を示しています。持続時間は250μsです。（Al / PTFE）_nの場合 / Cuフィルムブリッジでは、大量の製品が上向きに放出される激しい爆発プロセスが観察されます。持続時間は500μsを超えており、これはCuフィルムブリッジの2倍です。これらの結果は、Al / PTFEナノラミネートの化学反応がCu膜ブリッジのイオン化に関与し、Al / PTFEナノラミネートのエネルギー放出が電気的開始性能を大幅に改善できることを明確に示しています。潜在的なガス放出と大量の放出された生成物は、生成されたプラズマの圧力を上げるのに有益です。

電気爆発温度がマイクロ秒またはナノ秒以内に数千ケルビンに達する可能性があるため、過渡温度を測定することは困難な作業です。この記事では、開始プロセス中のプラズマの温度変化は、同じ原子種またはイオン種からのスペクトル線の相対強度を比較することによって決定されます。図6は、Cuフィルムブリッジと（Al / PTFE）_nのプラズマ温度変化を示しています。電気開始プロセス中の/ Cuフィルムブリッジ。トリガー後、Cuフィルムブリッジの電気爆発温度は急速に上昇し、最大で〜6819 Kに達します。（Al / PTFE）_n / Cuフィルムブリッジ、ピーク温度は〜8289Kです。それはCuフィルムブリッジのそれよりはるかに高いです。これは、Al / PTFEナノラミネートの化学反応が多数の熱放出によって引き起こされることを明確に示しています。より高い温度は、金属膜のイオン化とプラズマの急速な膨張に有益です。これらの結果は、高速観測とよく一致しています。

ご存知のように、フライヤーの最終速度は爆発物の爆発の成功に影響を与え、フライヤーの運動エネルギーはCuプラズマの急速な膨張に由来します。トリガー後、図7aに示すように、フィルムブリッジにコーティングされた絶縁フライヤーフォイルは、高温高圧プラズマによってせん断され、上方に押し上げられます。時間の経過に伴う速度変化は、高速フーリエ変換によってPDV信号から再構築されました[29]。図7bは、Cuフィルムブリッジと（Al / PTFE）_nの速度変動曲線を示しています。 2500Vの放電電圧での/ Cuフィルムブリッジ。ブリッジフィルムが気化し、プラズマが急速に膨張すると、フライヤー層が泡を形成し始め、バレルの端で切り取られます。フライヤーは、空気抵抗と爆発による圧力のバランスに達するまで上向きに加速され、その後プラットフォームが発生します。ピーク速度は、Cuフィルムブリッジでは2792 m / sですが、（Al / PTFE）_nでは3180m / sです。 / Cuフィルムブリッジ。これらは、電気爆発に由来するフライヤーの運動エネルギーが、Al / PTFEナノラミネートとの統合により約29.9％増加することを意味します。（Al / PTFE）_nの起動時間は / CuフィルムブリッジはCuフィルムブリッジより少し遅れており、全体の加速時間はかなりおおよそです。 Al / PTFEナノラミネートの化学反応は、Cuフィルムブリッジの電気爆発と一致しており、Cuフィルムブリッジのエネルギー出力は、Al / PTFEナノラミネートとの統合によって明らかに増加する可能性があります。

結論

要約すると、周期的な層構造を持つ反応性Al / PTFEナノラミネートは、マグネトロンスパッタリングによって首尾よく製造されました。 Al / PTFEナノラミネートは、準安定システムのPTFE層（アモルファス）、Al層（多結晶）、および不活性層（Al-F化合物）で構成され、3034 J / gの高エネルギー出力を提供できます。 MEMS技術により、Al / PTFEナノラミネートをCu爆発フォイルと統合して、統合されたフィルムブリッジを構築しました。 Al / PTFEナノラミネートの化学反応は、Cuフィルムブリッジの電気爆発とよく一致しています。一体型フィルムブリッジの電気爆発温度とエネルギー出力も明らかに上昇しています。全体として、Cuフィルムブリッジの開始性能は、Al / PTFEナノラミネートとの統合によって明らかに改善できます。