Змочування та контактна взаємодія ZnO з розплавами системи Ag-Ge
Анотація
Метою роботи було дослідження змочування та контактної взаємодії у парах, що містять ZnO та розплави системи Ag-Ge, на макрорівні. Використовували спечену ZnO-кераміку без домішок пористістю 15%. Сплави Ag-Ge готували переплавленням. Змочування вивчали методом лежачої краплі. Експерименти зі змочування проводили при 1000°C у вакуумі при концентраціях германію 0, 1, 2, 3, 5, 10 та 100 ат. %. Зразки фотографували, а отримані зображення обробляли за допомогою Adobe Photoshop. SEM-дослідження проводили на шліфах затверділих на поверхні ZnO крапель металу за допомогою мікроскопа Thermoscientific Axia з енергодисперсійним аналізатором. На основі отриманих даних побудовано графік залежності змочування від концентрації германію. Додавання Ge до розплаву Ag значно покращує змочування ним підкладки ZnO (при 0 at. %. Ge q=136, при 2 at. % Ge q=62, при 10 at. % Ge q=41° та чистий Ge розтікається повністю). Відбувалося розчинення підкладки в розплаві та дифузія компонентів розплаву в підкладку ZnO. Спостерігалася дифузія як Ge, так і Ag в глибину підкладки. Для крапель з 1 та 2 ат.% Ge концентрація Ge в підкладці ZnO після експерименту була вищою, ніж у краплях. Ці явища пояснюються окисленням Ge при реакції з ZnO. Кисень у складі металевих розплавів, що контактують з твердими оксидами, є адгезійно-активним компонентом, оскільки він утворює комплекси з металами, які адсорбуються на межі розділу, зменшуючи міжповерхневий натяг і тим самим покращуючи змочування. При цьому утворюються киснево-германієві комплекси, які збільшують адгезію, потім адсорбований Ge дифундує в ZnO. Дифузія Ag забезпечується утворенням вакансій Zn у структурі ZnO завдяки наявності Ge4+. Цей ефект може бути використаний для збільшення адгезії металів до ZnO. Водночас взаємодія дуже інтенсивна, це необхідно враховувати при розробці пристроїв, що містять щільні контакти ZnO з металами. Варто розглянути можливість використання інших елементів, які інтенсивно взаємодіють з ZnO (Sn, In, Ga), як адгезійно-активних добавок до інертних металів (Ag, Au).
Посилання
Lashkarev G. V., Shtepliuk I. I., Ievtushenko A. I., Khyzhun O. Y., Kartuzov V. V., Ovsiannikova L. I., Karpyna V. A., Myroniuk D. V., Khomyak V. V., Tkach V. N., Timofeeva I. I., Popovich V. I., Dranchuk N. V., Khranovskyy V. D., Demydiuk P. V. Properties of solid solutions, doped film, and nanocomposite structures based on zinc oxide. Low Temp. Phys. 2015. 41(2):129 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.1063/1.4908204
Ievtushenko A., Tkach V., Strelchuk V., Petrosian L., Kolomys O., Kutsay O., Garashchenko V., Olifan O., Korichev S., Lashkarev G., Khranovskyy V. Solar explosive evaporation growth of ZnO nanostructures. Appl. Sci. 2017. 7(4): 383. https://doi.org/10.3390/app7040383
Wang J., Wang H., Xie J., Yang A., Pei A., Wu C., Shi F., Liu Y., Lin D., Gong Y., Cui Y. Fundamental study on the wetting property of liquid lithium. Energy Storage Mater. 2018. 14:345. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.05.021
Wojewoda-Budka J., Sobczak N., Morgiel J., Nowak R. Reactivity of molten aluminium with polycrystalline ZnO substrate. J. Mater. Sci. 2010. 45(16): 4291. https://doi.org/10.1007/s10853-010-4379-6
Wojewoda-Budka, J., Stan, K., Nowak, R., Sobczak, N. High-temperature reactivity and wetting characteristics of Al/ZnO system related to the zinc oxide single crystal orientation. J. Mater. Sci. 2016. 51(4): 1692. https://doi.org/10.1007/s10853-015-9474-2
Grigorenko N., Chernigovtcev E., Durov A., Poluyanska V., Ievtushenko A. Wetting and contact interaction of semiconductor oxide materials Ga2O3, In2O3, ZnO with metallic melts in vacuum. Usp. Materialozn. 2023. 7: 94 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/materials2023.07.010
Durov A., Poluyanska V., Stecyuk T., Ievtushenko A. Wetting of ZnO-ceramic with alloys of the silver-tin system in vacuum. Usp. Materialozn. 2024. 8/9: 60 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/materials2024.08-09.006
Naidich Y.V. Phenomena in metallic melts (K.: Naukova Dumka, 1972) [in Russian].
Mogdad M., Rahman A., Ahmed N., Rajamanickam S., Almessiere M. Fabrication and performance analysis of ZnO/Ge/porous Si photodetectors for near-infrared detection. Heliyon. 2025. 11: e42426. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e42426
Zheng T., Li Z., Chen J., Shen K., Sun K. Transitions of microstructure and photoluminescence properties of the Ge/ZnO multilayer films in certain annealing temperature region. Appl. Surf. Sci. 2006. 252(24): 8482. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.11.052
Singh S. D., Ajimsha R. S., Sahu V., Kumar R., Misra P., Phase D. M., Oak S. M., Kukreja L. M., Ganguli T., Deb S. K. Band alignment and interfacial structure of ZnO/Ge heterojunction investigated by photoelectron spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 2012. 101(21): 212109. https://doi.org/10.1063/1.4767524
Jeong E., Zhao G., Yu S., Lee S., Bae J., Park J., Rha J., Lee G., Yun J. Minimizing optical loss in ultrathin Ag films based on Ge wetting layer: Insights on Ge-mediated Ag growth. Appl. Surf. Sci. 2020. 528: 146989. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.146989
Kusdianto K., Sari T. D., Laksono M. A., Madhania S., Winardi S. Fabrication and application of ZnO-Ag nanocomposite materials prepared by gas-phase methods. In: IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. (October 6-7, 2020, Semarang, Indonesia). 2021. 1053(1): 012023. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1053/1/012023
Yanlu L., Zhao X., Fan W. Structural, electronic, and optical properties of Ag-doped ZnO nanowires: first principles study. J. Phys. Chem. C. 2011 115(9): 3552. https://doi.org/10.1021/jp1098816
Wagh S., Kadam V., Jagtap C., Salunkhe D., Patil R., Pathan H., Patole S.. Comparative Studies on Synthesis, Characterization and Photocatalytic Activity of Ag Doped ZnO Nanoparticles. ACS Omega. 2023. 8(8): 7779. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07499
Klier K. Structure and function of real catalysts. Appl. Surf. Sci. 1984. 19(1-4): 267. https://doi.org/10.1016/0169-4332(84)90066-7
Van Herwijnen T., De Jong W.A. Brass formation in a copper/zinc oxide CO shift catalyst. J. Catal. 1974. 34(2): 209. https://doi.org/10.1016/0021-9517(74)90030-X
Leherte G., Derie R., Duvigneaud P. H. Textural and Structural Parameters Influencing the Ageing of Cu/ZnO L.T.S. Catalysts. Studies in Surf. Sci. and Catalysis. 1976. 1: 303. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(08)63960-9
Van den Berg M. W. E., Polarz S., Tkachenko O. P., Klementiev K. V., Bandyopadhyay M., Khodeir L., Gies H., Muhler M., Grünert W. Cu/ZnO aggregates in siliceous mesoporous matrices: Development of a new model methanol synthesis catalyst. J. Catal. 2006. 241(2): 446. https://doi.org/10.1016/j.jcat.2006.05.020
Cetin A., Kibar R., Ayvacıklı M., Can N., Buchal Ch., Townsend P. D., Stepanov A. L., Karali T., Selvi S. Optical properties of Cu implanted ZnO. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 2006. 249(1-2): 474. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.03.189
Beinik I., Hellström M., Jensen T. N., Broqvist P., Lauritsen J. V. Enhanced wetting of Cu on ZnO by migration of subsurface oxygen vacancies. Nat Commun. 2015. 6: 8845. https://doi.org/10.1038/ncomms9845
Huang G. Y., Wang C. Y., Wang J. T. First-principles study of diffusion of Li, Na, K and Ag in ZnO. J. Phys.: Condens. Matter. 2009. 21(34): 345802. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/34/345802
Yu Y. S., Kim G. Y., Min B. H., Kim, S. C. Optical characteristics of Ge doped ZnO compound. J. Eur. Ceram. Soc. 2004. 24(6): 1865. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(03)00596-X
Bale C. W., Bélisle E. Fact-Web suite of interactive. 2018. Retrieved from www.crct.polymtl.ca/fact/phase_diagram.php?file=Ag-Ge.jpg&dir=FTlite
Bale C. W., Bélisle E. Fact-Web suite of interactive. 2018. Retrieved from www.crct.polymtl.ca/fact/phase_diagram.php?file=Ge-Zn.jpg&dir=FTlite
Bale C. W., Bélisle E. Fact-Web suite of interactive. 2018. Retrieved from www.crct.polymtl.ca/reacweb_plus.php
Allsopp H. J., Roberts J. P. Non-stoichiometry of zinc oxide and its relation to sintering. Part 1. - Determination of non-stoichiometry in zinc oxide. Trans. Faraday Soc. 1959. 55: 1386. https://doi.org/10.1039/TF9595501386
Barnett C. J., Smith N. A., Jones D. R., Maffeis T. G. G., Cobley R. J. Effects of Vacuum Annealing on the Conduction Characteristics of ZnO Nanosheets. Nanoscale Res. Lett. 2015. 10: 368. https://doi.org/10.1186/s11671-015-1066-1
Masoumi S., Noori A., Nadimi E. Diffusion Mechanisms of Ag atom in ZnO crystal: A First Principles Study. J. Phys.: Conf. Ser. 2017. 939: 0121014. https://doi.org/10.1088/1742-6596/939/1/012014
Авторське право (c) 2025 O. В. Дуров, A. I. Євтушенко, O. Ю. Коваль, T. В. Стецюк, В. В. Полуянська, І. В. Шаповал
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
