熔石英表面杂质元素在酸蚀过程中的变化
发布时间：2021-12-18 19:50
为了探寻熔石英表面痕量杂质元素种类以及随HF酸蚀刻过程中的变化情况,用质量分数为1%HF酸溶液对熔石英进行长达24,48,72,96h的静态蚀刻实验。结合飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）测试分析结果发现,熔石英试片表面的痕量杂质元素主要含有B,F,K,Ca,Na,Al,Zn和Cr元素,其中绝大部分都存在于贝氏层中,在亚表面缺陷层检测到有K,Ca元素。所含有的K,Na杂质元素会与氟硅酸反应生成氟硅酸盐化合物。分析表明,在HF酸蚀刻的过程中一部分杂质元素将被消除,一部分杂质元素和生成氟硅酸盐化合物会随着蚀刻液逐渐从熔石英表面向表面纵深方向扩散并被试片吸附沉积,且随着深度的加深各元素的相对含量逐渐减少。
【文章来源】：强激光与粒子束. 2016,28(08)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图２熔石英蚀刻不同时间的电镜扫描示意图Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａｓｕｒｆａｃｅｅｔｃｈｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ
６（ｓｏｌｉｄ）（２）其中Ｍ为杂质元素。基于反应方程式（１），（２）可知，反应过程中反应中间产物为ＳｉＦ２－６离子，由于该离子在溶液中的溶解度有限，且熔石英表面有较强的吸附作用，又因为蚀刻表面存在较小的扩散系数且有相对大的反应产物来源，所以为了确定表面上是否含有（Ｍ）２／ＮＳｉＦ６（ｓｏｌｉｄ）这类物质，对两块试片中的Ｆ元素进行了化学态的分析。在理想情况下，ＸＰＳ每个谱峰所属面积的大小应是表面所含元素丰度的度量，是进行定量分析的依据。如图８所示，经《ＸＰＳ结合能对照表》核准，发现ＦＳ－０－０试片表面上Ｆ１ｓ亚层的光电子峰中存在有分子式?ＣＨ２—ＣＦ２?ｎ，?ＣＦ２ＣＦ２?ｎ和Ｋ２ＳｉＦ６化学态形成的能谱峰，而在ＦＳ－９６－１试片上新增了Ｎａ２ＳｉＦ６化学态Ｆｉｇ．８ＸＰＳｎａｒｒｏｗｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｉｍｐｕｒｉｔｙｅｌｅｍｅｎｔＦｉｎｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａ图８熔石英中杂质元素Ｆ元素的ＸＰＳ窄谱殷玉春等：熔石英表面杂质元素在酸蚀过程中的变化
０８１００４－３Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａｓｕｒｆａｃｅｅｔｃｈｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图２熔石英蚀刻不同时间的电镜扫描示意图Ｆｉｇ．３ＡＦＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａａｆｔｅｒｅｔｃｈｉｎｇｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图３熔石英经不同时间蚀刻后的ＡＦＭ形貌示意图只检测到了Ｋ，Ｃａ元素，且杂质元素随着离子溅射深度的加深逐渐降低，最终嵌入深度最深的Ｋ元素的二次离子产额在达到２００ｎｍ时保持恒定并降至最低；由图４（ｂ）可以看出，Ｃａ元素嵌入深度达到４４ｎｍ，其余存在的杂质元素嵌入深度均小于１２ｎｍ。图５是熔石英经不同时间蚀刻后的表面杂质元素二次离子产额随深度变化的分布曲线。从图中可知，因为经１％ＨＦ酸蚀刻２４ｈ后表面贝氏层被蚀刻掉了，原存在于贝氏层的部分杂质元素以及反应生成的氟硅酸盐化合物就嵌入或被吸附到熔石英缺陷层中并达到２０ｎｍ深度，此时二次离子产额降至最低并保持恒定，蚀刻４８ｈ时嵌入深度达到３０ｎｍ，蚀刻７２ｈ时嵌入深度达到５０ｎｍ，以及蚀刻９６ｈ时部分贝氏层杂质元素的嵌入深度已经达到８０ｎｍ以上；与此同时，位于亚表面缺陷层中Ｃａ元素也在一定程度上往纵深方向上扩散，随着蚀刻时间的增加嵌入深度依次达到６０，８０，１００和１２０ｎｍ。由此可得熔石英表面杂质元素随着ＨＦ酸蚀刻时间的增加逐渐向熔石英表面纵深方向扩散并被吸附沉积，根据图５中离子产额曲线趋势判断，各元素的相对殷玉春等：熔石英表面杂质元素在酸蚀过程中的变化
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析[J]. 杨俊,易葵,魏朝阳,胡国行,崔辉,邵建达. 强激光与粒子束. 2014(07)
[2]熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术[J]. 叶鑫,黄进,王凤蕊,程强,刘红婕,周信达,孙来喜,张振,蒋晓东,郑万国. 强激光与粒子束. 2013(12)
[3]亚表面杂质对熔石英激光损伤的影响[J]. 蒋晓东,郑直,祖小涛,李春宏,周信达,黄进,郑万国. 电子科技大学学报. 2012(02)
[4]硅酸盐玻璃的化学处理研究进展[J]. 成惠峰,李要辉,吴云龙,傅国英,纪毅璞. 硅酸盐通报. 2011(04)
[5]光学材料抛光亚表面损伤检测及材料去除机理[J]. 王卓,吴宇列,戴一帆,李圣怡,鲁德凤,徐惠赟. 国防科技大学学报. 2009(02)
[6]酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响[J]. 徐世珍,吕海兵,田东斌,蒋晓东,袁晓东,祖小涛,郑万国. 强激光与粒子束. 2008(05)
[7]石英玻璃与HF酸反应动力学的研究[J]. 苏英,周永恒,黄武,顾真安. 硅酸盐学报. 2004(03)
[8]重金属离子与石英表面反应的实验研究[J]. 吴宏海,吴大清,彭金莲. 地球化学. 1998(06)
本文编号：3543072
【文章来源】：强激光与粒子束. 2016,28(08)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图２熔石英蚀刻不同时间的电镜扫描示意图Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａｓｕｒｆａｃｅｅｔｃｈｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ
６（ｓｏｌｉｄ）（２）其中Ｍ为杂质元素。基于反应方程式（１），（２）可知，反应过程中反应中间产物为ＳｉＦ２－６离子，由于该离子在溶液中的溶解度有限，且熔石英表面有较强的吸附作用，又因为蚀刻表面存在较小的扩散系数且有相对大的反应产物来源，所以为了确定表面上是否含有（Ｍ）２／ＮＳｉＦ６（ｓｏｌｉｄ）这类物质，对两块试片中的Ｆ元素进行了化学态的分析。在理想情况下，ＸＰＳ每个谱峰所属面积的大小应是表面所含元素丰度的度量，是进行定量分析的依据。如图８所示，经《ＸＰＳ结合能对照表》核准，发现ＦＳ－０－０试片表面上Ｆ１ｓ亚层的光电子峰中存在有分子式?ＣＨ２—ＣＦ２?ｎ，?ＣＦ２ＣＦ２?ｎ和Ｋ２ＳｉＦ６化学态形成的能谱峰，而在ＦＳ－９６－１试片上新增了Ｎａ２ＳｉＦ６化学态Ｆｉｇ．８ＸＰＳｎａｒｒｏｗｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｉｍｐｕｒｉｔｙｅｌｅｍｅｎｔＦｉｎｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａ图８熔石英中杂质元素Ｆ元素的ＸＰＳ窄谱殷玉春等：熔石英表面杂质元素在酸蚀过程中的变化
０８１００４－３Ｆｉｇ．２ＳＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａｓｕｒｆａｃｅｅｔｃｈｅｄｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图２熔石英蚀刻不同时间的电镜扫描示意图Ｆｉｇ．３ＡＦＭｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｆｕｓｅｄｓｉｌｉｃａａｆｔｅｒｅｔｃｈｉｎｇｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅ图３熔石英经不同时间蚀刻后的ＡＦＭ形貌示意图只检测到了Ｋ，Ｃａ元素，且杂质元素随着离子溅射深度的加深逐渐降低，最终嵌入深度最深的Ｋ元素的二次离子产额在达到２００ｎｍ时保持恒定并降至最低；由图４（ｂ）可以看出，Ｃａ元素嵌入深度达到４４ｎｍ，其余存在的杂质元素嵌入深度均小于１２ｎｍ。图５是熔石英经不同时间蚀刻后的表面杂质元素二次离子产额随深度变化的分布曲线。从图中可知，因为经１％ＨＦ酸蚀刻２４ｈ后表面贝氏层被蚀刻掉了，原存在于贝氏层的部分杂质元素以及反应生成的氟硅酸盐化合物就嵌入或被吸附到熔石英缺陷层中并达到２０ｎｍ深度，此时二次离子产额降至最低并保持恒定，蚀刻４８ｈ时嵌入深度达到３０ｎｍ，蚀刻７２ｈ时嵌入深度达到５０ｎｍ，以及蚀刻９６ｈ时部分贝氏层杂质元素的嵌入深度已经达到８０ｎｍ以上；与此同时，位于亚表面缺陷层中Ｃａ元素也在一定程度上往纵深方向上扩散，随着蚀刻时间的增加嵌入深度依次达到６０，８０，１００和１２０ｎｍ。由此可得熔石英表面杂质元素随着ＨＦ酸蚀刻时间的增加逐渐向熔石英表面纵深方向扩散并被吸附沉积，根据图５中离子产额曲线趋势判断，各元素的相对殷玉春等：熔石英表面杂质元素在酸蚀过程中的变化
【参考文献】：
期刊论文
[1]熔石英再沉积层结构的纳米级表征和杂质分析[J]. 杨俊,易葵,魏朝阳,胡国行,崔辉,邵建达. 强激光与粒子束. 2014(07)
[2]熔石英光学元件的损伤前驱及其抑制技术[J]. 叶鑫,黄进,王凤蕊,程强,刘红婕,周信达,孙来喜,张振,蒋晓东,郑万国. 强激光与粒子束. 2013(12)
[3]亚表面杂质对熔石英激光损伤的影响[J]. 蒋晓东,郑直,祖小涛,李春宏,周信达,黄进,郑万国. 电子科技大学学报. 2012(02)
[4]硅酸盐玻璃的化学处理研究进展[J]. 成惠峰,李要辉,吴云龙,傅国英,纪毅璞. 硅酸盐通报. 2011(04)
[5]光学材料抛光亚表面损伤检测及材料去除机理[J]. 王卓,吴宇列,戴一帆,李圣怡,鲁德凤,徐惠赟. 国防科技大学学报. 2009(02)
[6]酸蚀深度对熔石英三倍频激光损伤阈值的影响[J]. 徐世珍,吕海兵,田东斌,蒋晓东,袁晓东,祖小涛,郑万国. 强激光与粒子束. 2008(05)
[7]石英玻璃与HF酸反应动力学的研究[J]. 苏英,周永恒,黄武,顾真安. 硅酸盐学报. 2004(03)
[8]重金属离子与石英表面反应的实验研究[J]. 吴宏海,吴大清,彭金莲. 地球化学. 1998(06)
本文编号：3543072
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