Разработка физико-химических основ золь-гель технологии формирования соединения стеклообразных материалов для создания микроструктурированных фотонных устройств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Жикина Людмила Алексеевна

• Жикина Людмила Алексеевна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Жикина Людмила Алексеевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Структура плавленого кварца

1.2 Способы соединения кварцевого стекла

1.2.1 Оптический контакт

1.2.2 Лазерная сварка

1.2.3 Склейка

1.2.4 Золь-гель метод соединения

1.3 Факторы, влияющие на золь-гель процесс

1.3.1 Природа прекурсора

1.3.2 рН среды

1.3.3 Соотношение вода-алкоксид

1.3.4 Температура процесса

1.3.5 Гетерогенность-гомогенность реакции

1.4 Выводы

2 ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Подготовка образцов для соединения

2.1.1 Описание образцов кварцевых деталей, используемых для исследований

2.1.2 Методика очистки образцов в перекисно-аммиачном растворе

2.1.3 Методика очистки образцов в гексаметилдисилазане

2.1.4 Методика очистки образцов с помощью отжига

2.1.5 Методика очистки образцов изопропиловым спиртом

2.2 Методика синтеза золь-гель составов

2.2.1 Синтез стеклообразующего состава на основе тетраэтоксисилана

2.2.2 Синтез стеклообразующего состава на основе полисиликатов натрия

2.3 Аналитические методы исследования

2.3.1 Оптическая микроскопия

2.3.2 Сканирующая электронная микроскопия

2.3.3 Вискозиметрия

2.3.1 Термогравиметрический анализ образцов

2.3.2 Методика измерения угла смачивания

2.3.3 Атомно-силовая микроскопия

2.3.4 Методика определения предела прочности соединений при отрыве

2.3.5 Анализ границ раздела кварц-кварц на угловых шлифах (45°) продольного сечения

2.3.6 Температурные испытания

2.4 Методика исследования кинетики кислотно-катализируемого гидролиза тетраэтоксисилана

2.4.1 Конструкция и принцип действия волоконно-оптического рефрактометра

2.4.2 Определение констант скорости

2.4.3 Определение энергии активации

2.5 Выводы

3 ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПРИГОТОВЛЕНИЯ СТЕКЛООБРАЗУЮЩИХ СОСТАВОВ ДЛЯ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СОЕДИНЕНИЯ

3.1 Исследование кинетических закономерностей кислотного гидролиза тетраэтоксисилана

3.2 Исследование вязкости стеклообразующих составов

3.3 Исследование углов смачивания

3.4 Термогравиметрический анализ образцов

3.5 Исследование методом атомно-силовой микроскопии

3.6 Исследование предела прочности соединений

3.7 Исследование морфологии зоны контакта кварцевых элементов методом продольного шлифования под углом 45°

3.8 Исследование стеклообразующих составов на основе полисиликатов натрия

3.9 Результаты температурных испытаний

3.9.1 Результаты температурных испытаний чувствительных элементов датчиков давления

3.9.2 Результаты температурных испытаний чувствительных элементов датчиков вибрации

3.10 Выводы

4 РАЗРАБОТКА технологии формирования соединения стеклообразных материалов для создания микроструктурированных фотонных устройств

4.1 Технология формирования соединения деталей из кварцевого стекла для изготовления чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации

4.2 Технико-экономическая оценка эффективности результатов внедрения

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка физико-химических основ золь-гель технологии формирования соединения стеклообразных материалов для создания микроструктурированных фотонных устройств»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Перспективным направлением развития современной химической промышленности является разработка новых материалов для применения в областях оптики и фотонных технологий. Возрастающий интерес к фотонным технологиям обусловлен: высокой восприимчивостью окружающих предметов и явлений к оптическому излучению, миниатюрностью изделий, устойчивостью к электромагнитным помехам.

Такие передовые области фотоники, как интегральная фотоника и интерферометрические сенсоры, основываются на сочетании различных диэлектрических материалов и будут определять наиболее существенные характеристики изделий в ближайшие десятилетия. К числу важнейших диэлектрических материалов в фотонике относят стеклообразные пленки на основе диоксида кремния, получение которых может быть осуществлено с использованием методов электронно-лучевого, магнетронного напыления, а также с использованием золь-гель технологий. Среди приведенных выше методов формирования оптических плёнок для нужд фотоники золь-гель технология привлекательна с точки зрения простоты и гибкости процесса синтеза. Помимо основного назначения диоксида кремния, существует нетривиальное применение тонких золь-гель пленок, которые могут выступать как промежуточный слой, используемый для соединения компонентов фотоники и микроэлектроники, однако, эта область его применения недостаточно изучена. Данная область исследований особенно актуальна, так как лишь технология лазерной сварки позволяет получать оптические соединения, устойчивые в широком диапазоне температур, но эти соединения в силу особенностей процесса сварки обладают механическими дефектами, а сам процесс достаточно трудоемок и требует дорогостоящего оборудования.

Следовательно, установление взаимосвязи между технологическими параметрами золь-гель синтеза, свойствами получаемого слоя и прочностью соединений позволит усовершенствовать и расширить области применения золь-

гель технологии, что приведет к появлению нового класса доступных фотонных устройств, пригодных для применения в суровых климатических условиях.

Степень разработанности темы исследования. Анализ публикаций показал, что проблеме поиска новых способов соединения плоских деталей между собой и с оптоволокном с использованием золь-гель технологии в микроструктурированных фотонных устройствах посвящены многочисленные работы зарубежных ученых, таких как C.J. Barbe, W.P. Maszara. Основы исследования золь-гель процессов были изложены в фундаментальном труде C.J. Brinker и G.W. Scherer, в котором авторы систематизировали ключевые гипотезы. Значительный вклад в развитие фундаментальных основ синтеза и создания функциональных покрытий вносят и отечественные ученые, такие как Л.П. Борило, О.А. Шилова, А.А. Бойко, И.А. Пронин. Однако прикладные аспекты, связанные именно с соединением фотонных микроструктур, с использованием тонких золь-гель пленок исследованы недостаточно.

В настоящее время, в связи с распространением технологий лазерной микрообработки, работы проводятся преимущественно в области лазерной сварки деталей, и реже прямого соединения. Учитывая, что исследуются прежде всего прямые соединения пластин и подложек для микроэлектроники, соединения фотонных микроструктур с передачей оптического излучения с использованием тонких пленок до сих пор остаются малоизученными.

Целью диссертационной работы является установление физико-химических основ золь-гель технологии формирования соединения стеклообразных материалов для создания микроструктурированных фотонных устройств.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать методику мониторинга процесса кислотного гидролиза тетраэтоксисилана in-situ и на основе экспериментальных данных верифицировать и расширить кинетическую модель процесса, установив количественные зависимости от рН среды.

2. Определить оптимальные параметры процесса формирования соединения деталей из кварцевого стекла с использованием стеклообразующих композиций тетраэтоксисилана, обеспечивающие воспроизводимость и стабильность характеристик соединения.

3. Установить взаимосвязь между свойствами стеклообразующего состава и структурой соединительного слоя, образующегося в процессе формирования соединения кварцевых деталей при создании чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации.

4. Выявить влияние температурной обработки полисиликатов натрия, синтезированных золь-гель методом, на параметры вспенивания соединительного слоя и оценить их применимость в качестве стеклообразующей композиции для фиксации оптического волоконного световода в кварцевом цилиндре.

5. Провести опытно-промышленные испытания технологии формирования соединения деталей из кварцевого стекла для изготовления чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации с применением стеклообразующих растворов.

Научная новизна:

1. Впервые выявлена зависимость между значением водородного показателя золь-гель системы на основе тетраэтоксисилана в метастабильной области (рН < 2,7) при соотношении ТЭОС:Н20 1:11 и среднеквадратичной шероховатостью полученной пленки; показано, что минимальная шероховатость достигается после термообработки при 300 °С при рН = 1,01 и составляет 0,7 нм.

2. Установлена зависимость изменения вязкости стеклообразующего раствора на основе ТЭОС при соотношении ТЭОС:Н20 1:11 от времени для золь-гель систем с водородными показателями в диапазоне от 0,21 до 2,55. Показано, что стеклообразующий раствор с рН = 1,01 подкисленной воды характеризуется наименьшим увеличением вязкости в течение 30 суток, что объясняется близостью водородного показателя данного раствора к изоэлектрической точке.

3. Впервые определены константы скорости и энергии активации кислотно-катализируемого гидролиза тетраэтоксисилана при рН < 2,7. Экспериментально показано, что в системе с соотношением ТЭОС:Н^ 1:11 увеличение кислотности (снижение рН) приводит к экспоненциальному росту константы скорости гидролиза и линейному уменьшению энергии активации.

Практическая и теоретическая значимость работы:

1. Для исследования кислотного гидролиза тетраэтоксисилана впервые использован усовершенствованный волоконно-оптический рефрактометр отражательного типа в комбинации с брэгговской решеткой, позволивший проводить т^Ш измерения показателя преломления с непрерывной регистрацией температуры, расширивший объем получаемой в динамике информации о процессе.

2. Разработан новый метод создания сплошного соединения между кварцевыми коннектором и оптическим волокном для волоконно-оптических систем, основанный на формировании ячеистого материала непосредственно в зазоре за счет их щелочного взаимодействия и последующем термическом вспенивании полученного полисиликатного гидрогеля при температурах до 250 °С, безопасных для полимерного покрытия волоконного световода.

3. Получены новые экспериментальные данные, демонстрирующие снижение дефектности конструкции и значительное улучшение температурной стабильности волоконно-оптических устройств, собранных с помощью золь-гель метода соединения. Выявлена высокая однородность соединительного слоя на основе диоксида кремния при сращивании чувствительных элементов с использованием золь-гель метода в диапазоне температур от минус 65 до плюс 160 °С, что позволяет качественно улучшить стабильность целого класса устройств из стеклообразных материалов.

4. Разработана и практически реализована на основе кислотного гидролиза тетраэтоксисилана и натрий-силикатного гидрогеля технология формирования соединения деталей из кварцевого стекла для изготовления чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации,

отличающихся высокой надежностью и улучшенной температурной стабильностью.

Методология и методы исследования. В ходе работы системно изучен процесс синтеза, а также возможность применения стеклообразующих составов для соединения миниатюрных деталей микрофотонных устройств. Для исследования кинетических закономерностей синтеза стеклообразующего состава применен метод волоконно-оптической рефрактометрии in-situ. Измерения вязкости стеклообразующих составов были проведены на вибровискозиметре SV-1A; исследование степени смачивания поверхности кварцевого стекла стеклообразующими составами проведены с помощью оптического анализатора контактного угла ОСА 20 по методу лежачей капли. Подбор режимов для температурной обработки растворов был выполнен с помощью анализа результатов, полученных методом термогравиметрического анализа с помощью прибора NETZSCH STA 449F1. Исследование топографии поверхности тонких пленок и измерение шероховатости были проведены с помощью метода атомно-силовой микроскопии на атомно-силовом микроскопе Ntegra Prima. Прочность соединений оценена методом определения предела прочности при отрыве с помощью электромеханической разрывной машины INSTRON 5969. Исследования морфологии структуры соединительного слоя на основе SiO2 проведены с помощью сканирующего электронного микроскопа MIRA3 TESCAN. Микрофотографии исследуемых соединенных образцов, дефектов в них, областей разрушения получены на оптических микроскопах: цифровом Keyence VHX (увеличение 10-100*) и ЛОМО МСП-1 10* 40*. Температурные испытания чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков проведены согласно методикам испытаний, принятым в ПАО «ПНППК».

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная методика и полученные новые результаты исследования кинетических закономерностей кислотно-катализируемого гидролиза тетраэтоксисилана в процессе синтеза стеклообразующего состава.

2. Основы технологии формирования соединения деталей из кварцевого стекла для изготовления чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации с использованием золь-гель метода.

3. Условия получения и параметры температурной обработки гидрогеля полисиликата натрия, приводящие к образованию аморфной ячеистой газоплотной структуры, пригодной для фиксации оптического волоконного световода в кварцевом цилиндре.

4. Совокупность результатов, отражающих улучшение температурной стабильности волоконно-оптических устройств при использовании золь-гель метода формирования соединения по сравнению с традиционным способом.

Достоверность результатов работы подтверждается комплексным теоретическим и экспериментальным исследованием, апробацией выводов на научных конференциях и публикацией материалов в рецензируемых научных изданиях, а также применением современных приборов и методов исследования.

Внедрение результатов. Результаты работы использованы для разработки и внедрения технологии формирования соединения деталей из кварцевого стекла для изготовления чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления и вибрации на предприятии ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания», г. Пермь и подтверждены актом внедрения № 66/61-96-а от 09.10.2025, а также двумя НОУ ХАУ. В результате внедрения технологии созданы опытные образцы кварцевых чувствительных элементов, применяемые в волоконно-оптических датчиках давления и вибрации.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 2.6.7. «Технология неорганических веществ» п. 1. «технологические процессы получения неорганических продуктов: высокочистые неорганические продукты»; п. 2 «явления переноса тепла в веществах в связи с химическими превращениями в технологических процессах. Кинетика и термодинамика химических и межфазных превращений»; п. 3 «Способы и последовательность технологических операций и процессов переработки сырья, промежуточных и побочных продуктов, вторичных материальных ресурсов (отходов производства и потребления) в неорганические

продукты»; п. 4 «Разработка теоретических основ и установление общих закономерностей проектирования и технологий изготовления неорганических материалов»; п. 5 «разработка оптимальных структур и конструкций, а также инновационных технологий изготовления материалов с заданными потребительскими и технико-экономическими показателями для обеспечения снижения затрат на организацию их производства и повышение качества продукции»; п. 6 «совершенствование методов контроля технологических операций, качества сырья, полуфабрикатов и готовых изделий на основе автоматизации управления технологическими процессами и использования современных информационных технологий и вычислительной техники».

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы представлено на региональных, всероссийских и международных конференциях и научно-технических форумах: VII молодежная школа-конференция «Современные аспекты химии», Пермь, 2020 г.; международная конференция «SOL-GEL 2020», Самарканд (Узбекистан), 2020 г.; всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Химия. Экология. Урбанистика», Пермь, 2021 г.; Третья Российская конференция с международным участием «Стекло: наука и практика», Санкт - Петербург, 2021 г.; Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Инновационные материалы и технологии - 2022», Минск (Республика Беларусь), 2022 г.

Личный вклад соискателя состоит в постановке проблемы, цели и задач научного исследования и их обосновании; подготовке и проведении экспериментальной работы, обработке и интерпретации результатов; формулировании выводов, подготовке и оформлении публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных трудов, в том числе 4 статьи в журналах, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных изданий, и 2 в журналах, индексируемых в международных реферативных базах Scopus и Web of Science.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Материалы диссертации

изложены на 153 стр., включают 54 рисунка, 11 таблиц, 152 библиографические ссылки.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору Александру Анатольевичу Кетову за ценные рекомендации и помощь в постановке экспериментов в области исследования гидрогелей на основе полисиликатов натрия. Автор искренне благодарит кандидата физико-математических наук Марину Тахировну Краузину за создание программного кода для обработки экспериментальных данных, что оказало неоценимую помощь в проведении исследования. Автор выражает благодарность научному руководителю, кандидату технических наук Александру Михайловичу Минкину за общее руководство исследованием и помощь в проведении экспериментов.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1 Структура плавленого кварца

Плавленый кварц или кварцевое стекло состоит из диоксида кремния в аморфной форме. Впервые структура плавленого кварца была описана Захариасеном [1], который изображал атомную структуру кварцевого стекла в виде неупорядоченной сети кислородных тетраэдров, окружающих атомы кремния SiO4 (Рисунок 1 а). Кислородные тетраэдры имеют общие углы друг с другом таким образом, что атом кислорода связан с двумя атомами кремния.

(а) (б)

Рисунок 1 - Атомная структура плавленого кварца: а - модель Захариасена [1];

б - структура диоксид кремния, подтверждённая сканирующей просвечивающей

электронной микроскопии

Спустя 80 лет структуру экспериментально подтвердили авторы работы [2], в которой исследовали аморфную фазу двумерного диоксида кремния в сочетании с графеновой подложкой с использованием метода кольцевой сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темном поле (ADF STEM) (Рисунок 1 б)

Наиболее широко принятая теория неупорядоченной сети стекла Захариасена ограничивает ближний порядок в кварцевом стекле отдельными тетраэдрами, для

которых справедливо правило Мотта, в соответствии с которым атом кремния координирован четырьмя атомами кислорода, а атом кислорода двумя атомами кремния [3]. Благодаря отсутствию дальнего порядка кварцевое стекло обладает такими свойствами, как низкий коэффициент линейного теплового расширения (КЛТР), высокая температура стеклования, высокая прочность на разрыв, превосходные упругие константы, низкое поглощение в оптическом диапазоне излучения (потери не более 0,5 дБ/км) и превосходная химическая стойкость [4].

Существование относительно небольшого числа дефектных состояний средней зоны, в свою очередь, гарантирует прозрачность в видимом и ультрафиолетовом (УФ) диапазонах излучения для окон, оптических компонентов, лазерных стекол и др. [5].

Основные параметры кварцевого стекла представлены в Таблице 1.

Таблица 1 - Параметры кварцевого стекла

Параметр Значение Ссылка

Плотность, г/см3 2,21 [6]

Твердость, кг/мм2 500 [7]

Коэффициент Пуассона (Т = 25 °C) 0,17 [6]

Диапазон пропускания материала, нм от 160 до 4350 [7]

Показатель преломления 1,46 [8]

КЛТР в диапазоне температур от 20 до 1000 °С, °С-1 0,55-10"6 [6]

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К) ^ = 25 °С) 1,38 [9]

Удельная теплоемкость, Дж/(кг*К) ^ = 25 °С) 728 [7]

Кварцевое стекло

В зависимости от способа производства доступно несколько типов плавленого кварца для различных применений. Существует четыре основных типа коммерчески доступного кварцевого стекла [10]:

• тип I производится путем индукционной плавки природного кварца в вакууме или инертной атмосфере при низком давлении;

• тип II производится путем сплавления порошка кварцевого кристалла в пламени;

• тип III получают сжиганием SiQ4 в водородно-кислородном пламени;

• тип IV получают сжиганием SiQ4 в плазменном пламени без паров воды.

Марки плавленого кварца, концентрация примесей в зависимости от способа изготовления указаны в Таблице 2.

Таблица 2 - Способы получения кварцевого стекла различных коммерческих _марок [4, 11, 12]__

Тип стекла Способ получения Содержание примесей Марки стекол

I Электротермическое плавление крупки кремнезема в вакууме Металлы: до Ы0-2, ОН-: до 5-10-4 КИ (Россия), IR-Vitreosil (Англия), Infrasil (ФРГ)

II Плавка крупки кремнезема в водороднокислородном пламени Металлы: до Ы0-2, ОН-: (1,5 - 6.0>10-2 КУ, КВ (Россия), OH-Vitreosil (Англия)

III Высокотемпературный гидролиз SiCЦ в водородно-кислородном пламени или в пламени природного газа Металлы: до Ы0-4, ОН-: до 0,2, хлор: (1 - 3>10-2 КУ (Россия), Spectrosil (Англия), Suprasil (ФРГ), Tetrasil (Франция), Corning 7940 (США)

IV 1. Высокотемпературный гидролиз 2. Окисление 81СЦ в факеле высокочастотной плазмы Металлы: до 1 • 10-4, ОН-: до 0,440-4, хлор: до 6-10-2 КУВИ (Россия), Spectrosil WF (Англия), Suprasil W (ФРГ), Corning 7943 (США)

V 1. Гелеобразование коллоидных растворов алкилсиликатов с высокотемпературной обработкой (1500-1720 °С) 2. Гидролиз и поликондесация металлорганического прекурсора с высокотемпературной обработкой (1150-1200 °С) Металлы: до Ы0-6, ОН-: до Ы0-6, хлор: до 5-10-4 Изготовлено в промышленном масштабе ПАО «ПНППК» (Россия)

VI Гидролиз и конденсация прекурсоров с низкотемпературной обработкой (600-950 °С) Металлы: до Ы0-6, ОН-: до Ь10-6 Изготовлено в лабораторном масштабе

Таким образом, кварцевое стекло содержит практически только кремний и

кислород, хотя каждый тип имеет свой уровень примесей. Плавленый кварц является материалом, имеющим большое значение во многих технологических разработках.

Плавленый кварц является привлекательным материалом для создания микроэлектромеханических систем (МЭМС), оптических компонентов, фотонных кристаллов, нанокомпозитов, оптических волноводов, многослойных диэлектрических структур, просветляющих покрытий, благодаря его выдающимся физическим свойствам [13, 14]. Устойчивость кварцевого стекла к радиационному воздействию, пропускание в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах,

низкое двулучепреломление, играет ключевую роль в развитии оптической литографии с глубоким УФ-излучением и в разработке оптических волокон [15].

В связи с этим, плавленый кварц является перспективным материалом для создания миниатюрных оптических сенсоров [16], способных работать в условиях повышенной температуры, высоких давлений, агрессивных химических средах.

Соединение пластин и деталей является неотъемлемой частью производства МЭМС, оптических компонентов и сенсоров. Это позволяет изготавливать сложные конструкции, состоящие из двух или более компонентов, герметизировать устройства, которые требуют замкнутые полости, не сообщающиеся с внешней средой (датчики давления). В то же время присоединенная деталь может использоваться в качестве защитного слоя и для механической поддержки при изготовлении самого устройства [17].

1.2 Способы соединения кварцевого стекла

1.2.1 Оптический контакт

Одним из способов соединения деталей без промежуточного слоя является технология оптического контакта. Для успешного соединения поверхности должны обладать очень низкой шероховатостью, отсутствием волнистости и иметь плоскую форму [18].

(а) (б) (в)

Рисунок 2 - Параметры пластины, влияющие на качество соединения при использовании технологии оптического контакта [14]: а - шероховатость; б -

волнистость; в - форма пластины.

При соприкосновении соединяемые поверхности притягиваются силами Ван-дер-Ваальса и скрепляются друг с другом при комнатной температуре, а после проведения термообработки процесс необратим [19].

Одним из самых главных факторов, влияющих на прочность соединения, являются чистота и активация контактирующих поверхностей. Авторы работ [20,

21 ] показали, что в случае загрязненной поверхности частица размером 1 мкм может вызывать воздушный зазор площадью до 1 см2 между соединенными пластинами по технологии оптического контакта.

Подготовку пластин проводят двумя способами: химическая активация и плазменная активация. Для очистки используют растворы на основе перекиси водорода, включающие RCA-1 для удаления адсорбированной органики (NH4OH/H2O2/H2O ~ 1:1:5) при 75 °С и RCA-2 для удаления ионов металлов (HQ/H2O2/H2O ~ 1:1:6) при 80 °С, также в некоторых случаях смесь перекиси водорода и серной кислоты (1:4 или 1:2) [22], затем для химической активации поверхности используют смесь NH4OH:H2O2:H2O 6:1:3 при 80 °С [23].

При плазменной активации может использоваться первичная очистка в RCA-1 и RCA-2 [24] или сразу проводиться обработка плазмой [25, 26]. Непосредственно после очистки и активации детали проводят в контакт, для сведения к минимуму повторного загрязнения поверхностей. Проведение дальнейшей термообработки зависит от цели соединения [27].

Известно, что после обработки RCA-1 поверхность оксида кремния покрывается силанольными группами. В литературе отмечают, что первоначальный процесс склеивания пластин происходит, если две поверхности SiO2 с адсорбированной на поверхности водой привести в тесный контакт, то между атомами кислорода и водорода молекул адсорбированной воды образуются водородные связи.

Затем при проведении термообработки для образования силоксановых связей расстояние между соединяемыми поверхностями должно уменьшиться до примерно 1,6 А. Поскольку тетрамеры имеют диаметр около 4 А, они не могут легко диффундировать от границы связывания через сетку SiO2. Однако при температуре выше 700 °С кластеры воды распадаются и диффундируют от границы раздела. Одиночные силанольные связи теперь могут образовывать связи Si-O-Si, сопровождающиеся высвобождением водного мономера.

После соединения двух пластин требуется проверка, установился ли плотный контакт по всей граничной области или, имеются несвязанные области.

Неразрушающие методы контроля качества соединенных деталей по технологии оптического контакта включают в себя оптическую микроскопию (обнаружение колец Ньютона для прозрачных образцов), акустический метод (фиксирование амплитуды или фазы входящего эха), рентгеновскую топографию для монокристалов. Применяют и оптический метод с использованием колимированнного луча света, который в случае отклонения от идеального зеркала интерферирует, что вызывает контраст в отраженном изображении [28].

Среди разрушающих методов контроля прочности получаемых соединений выделяют исследование поперечного сечения образца с помощью травления, исследования с использованием разрывной машины и трехточечного изгиба. Общепризнанным методом исследования прочности соединения по технологии оптического контакта является описанный в 1988 году метод Масзаре [29]. Для оценки поверхностной энергии по методу Масзаре лезвие известной толщины 2^Н устанавливают в зазор между двумя пластинами и оценивают полученный воздушный зазор длиной с по формуле (Рисунок 3):

2 73

2у =

3Е¥й 4е4

(1)

где Е - модуль Юнга; 2^ - толщина лезвия; й - толщина пластины; с - длина воздушного зазора.

Рисунок 3 - Схема, иллюстрирующая метод метод Масзаре

В работе [30] соединяли прямоугольные пластины из кварцевого стекла, предварительно очищенные в RCA-1 и кислородной плазмой, термообработку проводили при 200 °С, затем оценивали прочность полученного соединения с использованием трехточечного изгиба, которая составила 39 МПа.

Авторы [31] использовали технологию оптического контакта, чтобы соединить пластины плавленого кварца со структурированной поверхностью с плоскими пластинами для дифракционных оптических применений в видимом и ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Для исследования прочности соединения применяли разрушающий метод раскрытия зазора по Масзаре, получали значения около 0,6 Дж/м2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жикина Людмила Алексеевна, 2026 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Zachariasen W. H. The atomic arrangement in glass / W. H. Zachariasen // Journal of the American Chemical Society. - 1932. - Vol. 54. - № 10. - P. 3841-3851.

2 Direct Imaging of a Two-Dimensional Silica Glass on Graphene / P. Y. Huang, S. Kurasch, A. Srivastava [et al.] // Nano Letters. - 2012. - Vol. 12. - № 2.

- P. 1081-1086.

3 Görlich E. The structure of SiO2 — Current views / E. Görlich // Ceramics International. - 1982. - Vol. 8. - № 1. - P. 3-16.

4 Гриценко В. А. Атомная структура аморфных нестехиометрических оксидов и нитридов кремния / В. А. Гриценко // Uspekhi Fizicheskih Nauk. - 2008.

- Vol. 178. - № 7. - P. 727.

5 Brückner R. Silicon Dioxide / R. Brückner. - Text: electronic // digital Encyclopedia of Applied Physics / ed. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. - Wiley, 2003. - URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/3527600434.eap432 (date accessed: 14.06.2025).

6 Deformation of fused silica: nanoindentation and densification / A. B. Shorey, K. Xin, K.-H. Chen, J. C. Lambropoulos. - Text: electronic // SPIE's International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation / ed. A. J. Marker Iii. - San Diego, CA, 1998. - Deformation of fused silica. - P. 72-81. - URL: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=955548 (date accessed: 14.06.2025).

7 Tropf W. J. Infrared optical materials / W. J. Tropf, M. E. Thomas, P. Klocek. - Text: electronic // Critical Review Collection.

- Bellingham, United States, 1996. - P. 102860A. - URL: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117/12.245197 (date accessed: 27.06.2025).

8 Leviton D. B. Temperature-dependent absolute refractive index measurements of synthetic fused silica / D. B. Leviton, B. J. Frey. - Text: electronic // SPIE Astronomical Telescopes and Instrumentation / eds. E. Atad-Ettedgui [et al.].

- Orlando, Florida , USA, 2006. - P. 62732K. - URL:

http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117/12.672853 (date accessed: 14.06.2025).

9 Powell R. W. Thermal Conductivity of Selected Materials / R. W. Powell, C. Y. Ho, P. E. Liley. - U.S. Department of Commerce, National Bureau of Standards.

- 1966. - 178 p.

10 Greaves G. N. The Extended Structure of Glass / G. N. Greaves. - Text: electronic // Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture / eds. P. Richet [et al.]. - Wiley. - 2021. - P. 183-195. - URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9781118801017.ch2.5 (date accessed: 14.06.2025).

11 Kitamura R. Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared at near room temperature / R. Kitamura, L. Pilon, M. Jonasz // Applied Optics.

- 2007. - Vol. 46. - № 33. - P. 8118.

12 Арбузов, В. И. Фоточувствительные и радиационно-стойкие материалы : учебное пособие / В. И. Арбузов. — Санкт-Петербург: НИУ ИТМО, [б. г.].

— Часть 1 : Основы радиационного оптического материаловедения — 2008.

— 36 с. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://elanbook.com/book/40789 (дата обращения: 14.06.2025). — Режим доступа: для авториз. пользователей.

13 Hench L. L. Gel-Silica Science / L. L. Hench, W. Vasconcelos // Annual Review of Materials Science. - 1990. - Vol. 20. - № 1. - P. 269-298.

14 Synthesis and properties of silicon dioxide films prepared by pulsed laser deposition using ceramic SiO2 target / X. He, J. Wu, X. Li [et al.] // Applied Surface Science. - 2009. - Vol. 256. - № 1. - P. 231-234.

15 Nagarah J. M. Ultradeep fused silica glass etching with an HF-resistant photosensitive resist for optical imaging applications / J. M. Nagarah, D. A. Wagenaar // Journal of Micromechanics and Microengineering. - 2012. - Vol. 22. - №2 3. - P. 035011.

16 Moore L., Smith C. M. Fused silica as an optical material [Invited] // Optical Materials Express. 2022. Vol. 12. No. 8. P. 3043.

17 Bellouard Y. Integrating optics and micro-mechanics in a single substrate: a step toward monolithic integration in fused silica / Y. Bellouard, A. A. Said, P. Bado // Optics Express. - 2005. - Vol. 13. - Integrating optics and micro-mechanics in a single substrate. - № 17. - P. 6635.

18 Cunningham S. J. Wafer Bonding / S. J. Cunningham, M. Kupnik. - Text: electronic // MEMS Materials and Processes Handbook : MEMS Reference Shelf / eds. R. Ghodssi, P. Lin. - Boston, MA : Springer US, 2011. - Vol. 1. - P. 817-877. - URL: https://link.springer.com/10.1007/978-0-387-47318-5_11 (date accessed: 14.06.2025).

19 Wafer bonding for microsystems technologies / U. Gosele, Q.-Y. Tong, A. Schumacher [et al.] // Sensors and Actuators A: Physical. - 1999. - Vol. 74. - № 1-3.

- P. 161-168.

20 Mirza A. R. FEATURES-Silicon Wafer Bonding: Key to MEMS HighVolume Manufacturing / A. R. Mirza, A. A. Ayon // Sensors-the Journal of Applied Sensing Technology. - 1998. - Vol. 15. - №. 12. - P. 24-33.

21 A study of multi-stack silicon-direct wafer bonding for MEMS manufacturing / N. Miki, X. Zhang, R. Khanna [et al.]. - Text: electronic // Technical Digest. MEMS 2002 IEEE International Conference. Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (Cat. No.02CH37266) Technical Digest. MEMS 2002 IEEE International Conference. Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. - Las Vegas, NV, USA : IEEE, 2002.

- P. 407-410. - URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/984289/ (date accessed: 14.06.2025).

22 Kern W. Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology: Science, Technology and Applications. Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology / W. Kern. - Park Ridge, N.J., U.S.A : William Andrew, 1993. - 645 p.

23 Mai C. Low temperature direct bonding of silica glass via wet chemical surface activation / C. Mai, M. Li, S. Yang // RSC Advances. - 2015. - Vol. 5. - № 53.

- P. 42721-42727.

24 Effect of combined hydrophilic activation on interface characteristics of Si/Si wafer direct bonding / D. Li, X. Cui, M. Du [et al.] // Processes. - 2021. - Vol. 9.

- № 9. - P. 1599.

25 Wang C. Room-temperature direct bonding using fluorine containing plasma activation / C. Wang, T. Suga // Journal of The Electrochemical Society. - 2011.

- Vol. 158. - № 5. - P. H525.

26 High-temperature direct bonding of langasite using oxygen plasma activation / F. Xu, T. Xue, X. Liang, Q. Tan // Scripta Materialia. - 2021. - Vol. 194.

- P. 113681.

27 Kissinger G. Hydrophilicity of silicon wafers for direct bonding / G. Kissinger, W. Kissinger // Physica Status Solidi (a). - 1991. - Vol. 123. - № 1.

- P. 185-192.

28 PlôBl A. Wafer direct bonding: tailoring adhesion between brittle materials / A. PlôBl // Materials Science and Engineering: R: Reports. - 1999. - Vol. 25. - Wafer direct bonding. - № 1-2. - P. 1-88.

29 Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator / W. P. Maszara, G. Goetz, A. Caviglia, J. B. McKitterick // Journal of Applied Physics. - 1988. - Vol. 64. - № 10.

- p. 4943-4950.

30 Effects of static load and residual stress on fused silica direct bonding interface properties / P. Birckigt, K. Grabowski, G. Leibeling [et al.] // Applied Physics A. - 2021. - Vol. 127. - № 12. - P. 938.

31 Direct wafer bonding for encapsulation of fused silica optical gratings / G. Kalkowski, U. Zeitner, T. Benkenstein [et al.] // Microelectronic Engineering. - 2012.

- Vol. 97. - P. 177-180.

32 A cohesive zone model for fracture initiation and propagation of fused silica direct bonding interface / A. Maurel-Pantel, M. Voisin, Q. Bui [et al.] // Engineering Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 219. - P. 106649.

33 MacCallum D. O. CO2 laser welding fused silica / D. O. MacCallum, G. A. Knorovsky, S. T. Reed. - Text : electronic // International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics ICALEO® 2005: 24th International Congress on Laser Materials

Processing and Laser Microfabrication. - Miami, Florida, USA : Laser Institute of America, 2005. - P. 1204. - URL: http://aip.scitation.org/doi/abs/10.235171.5060423 (date accessed: 14.06.2025).

34 CO2 laser welding of glass: numerical simulation and experimental study / L. Pohl, P. Von Witzendorff, E. Chatzizyrli [et al.] // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2017. - Vol. 90. - CO2 laser welding of glass.

- № 1-4. - P. 397-403.

35 Monolithic structure-optical fiber sensor with temperature compensation for pressure measurement / W. Wang, X. Zhou, W. Wu [et al.] // Materials. - 2019. - Vol. 12.

- № 4. - P. 552.

36 Adhesive-free bonding homogenous fused-silica Fabry-Perot optical fiber low pressure sensor in harsh environments by CO2 laser welding / W. Wang, W. Wu, S. Wu [et al.] // Optics Communications. - 2019. - Vol. 435. - P. 97-101.

37 Du L. Silica hermetic packages based on laser patterning and localized fusion bonding / L. Du, M. G. Allen. - Text: electronic // 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 2018 IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS).

- Belfast : IEEE, 2018. - P. 551-554. - URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/8346612/ (date accessed: 14.06.2025).

38 Du L. CMOS Compatible hermetic packages based on localized fusion bonding of fused silica / L. Du, M. G. Allen // Journal of Microelectromechanical Systems. - 2019. - Vol. 28. - № 4. - P. 656-665.

39 Huang H. Ultrashort pulsed fiber laser welding and sealing of transparent materials / H. Huang, L.-M. Yang, J. Liu // Applied Optics. - 2012. - Vol. 51. - № 15.

- P. 2979.

40 Bonding of glass with femtosecond laser pulses at high repetition rates / S. Richter, S. Döring, A. Tünnermann, S. Nolte // Applied Physics A. - 2011. - Vol. 103.

- № 2. - P. 257-261.

41 Direct joining of glass substrates by 1 kHz femtosecond laser pulses / W. Watanabe, S. Onda, T. Tamaki, K. Itoh // Applied Physics B. - 2007. - Vol. 87. - № 1.

- P. 85-89.

42 Sample preparation method for glass welding by ultrashort laser pulses yields higher seam strength / K. Cvecek, I. Miyamoto, J. Strauss [et al.] // Applied Optics.

- 2011. - Vol. 50. - № 13. - P. 1941.

43 Toward laser welding of glasses without optical contacting / S. Richter, F. Zimmermann, R. Eberhardt [et al.] // Applied Physics A. - 2015. - Vol. 121. - № 1.

- P. 1-9.

44 Adhesive wafer bonding for MEMS applications / V. Dragoi, T. Glinsner, G. Mittendorfer [et al.]. - Text: electronic // Microtechnologies for the New Millennium 2003 / eds. J.-C. Chiao [et al.]. - Maspalomas, Gran Canaria, Canary Islands, Spain, 2003.

- P. 160. - URL: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117 /12.499077 (date accessed: 14.06.2025).

45 Bachmann A. Advances in light curing adhesives / A. Bachmann. - Text: electronic // International Symposium on Optical Science and Technology / ed. A. E. Hatheway. - San Diego, CA, 2001. - P. 185-195. - URL: http://proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?articleid=889728 (date accessed: 14.06.2025).

46 Licari J. J. Adhesive Bonding Processes / J. J. Licari, D. W. Swanson. -Text: electronic // Adhesives Technology for Electronic Applications. - Elsevier, 2011.

- P. 143- 216. - URL: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/B9781437778892100 04X (date accessed: 14.06.2025).

47 Мошинский Л. Эпоксидные смолы и отвердители: структура, свойства, химия и топология отверждения. Эпоксидные смолы и отвердители / Л. Мошинский. - Аркадия Пресс, 1995. - 370 с.

48 Low-temperature bonding of ceramics by sol-gel processing / C. J. Barbé, D. J. Cassidy, G. Triani [et al.] // MRS Proceedings. - 1999. - Vol. 587. - P. O4.6.

49 Low temperature wafer bonding by spin on glass / H. C. Lin, K. L. Chang, G. W. Pickrell [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena. - 2002. - Vol. 20.

- № 2. - P. 752-754.

50 Spin-on glass composition and method of forming silicon oxide layer in semiconductor manufacturing process using the same / J.-H. Lee, J.-S. Choi, H. Kim, [и др.]. - 2004. - URL: https://patents.google.com/patent/US6706646B1/en (дата обращения: 27.06.2025). - Текст : электронный.

51 Brinker C. J. Sol-Gel Science: The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. Sol-Gel Science / C. J. Brinker, G. W. Scherer. - Elsevier Inc., 2013.

52 Silicon wafer bonding via designed monolayers / U. Gosele, J. Steinnkirchner, T. Martini [et al.] // Advanced Materials. - 1995. - Vol. 7. - № 7.

- P. 662-665.

53 Sol-gel bonding of silicon wafers Part 1: Influence of the processing temperature on final bond morphology and interfacial energy / C. J. Barbe, D. J. Cassidy, G. Triani [et al.] // Thin Solid Films. - 2005. Унет страниц и тома

54 Sol-gel bonding of silicon wafers часть 2?/ C. J. Barbé, D. J. Cassidy, G. Triani [et al.] // Thin Solid Films. - 2005. - Vol. 488. - № 1-2. - P. 160-166.

55 Latella B. A. Interface fracture surface energy of sol-gel bonded silicon wafers by three-point bending / B. A. Latella, M. Ignat // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2012. - Vol. 23. - № 1. - P. 8-13.

56 Gvishi R. Optical bonding with fast sol-gel / R. Gvishi, M. Pokrass, G. Strum // Journal of the European Optical Society-Rapid Publications. - 2009. - Vol. 4.

- P. 09026.

57 Silicon-to-silicon wafer bond efficiency by sol-gel process / S. S. Deng, C. M. Tan, J. Wei [et al.]. - Text: electronic // Proceedings of the 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003) 5th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2003). - Singapore : IEEE, 2003. - P. 421-424. - URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/1271558/ (date accessed: 15.06.2025).

58 Low temperature silicon wafer bonding by sol-gel processing / S. S. Deng, J. Wei, C. M. Tan [et al.] // International Journal of Computational Engineering Science.

- 2003. - Vol. 04. - № 03. - P. 655-658.

59 Low temperature Si-to-Si wafer bonding with sol-gel coating as intermediate layer / J. Wei, S. S. Deng, C. M. Tan, C. K. Wong. - Text: electronic // Proceedings of

6th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2004) (IEEE Cat. No.04EX971) Proceedings of 6th Electronics Packaging Technology Conference (EPTC 2004). - Singapore : IEEE, 2004. - P. 189-192. - URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/1396601/ (date accessed: 15.06.2025).

60 Mechanism of sol-gel intermediate layer low temperature wafer bonding /

C. M. Tan, S. S. Deng, J. Wei, W. B. Yu // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2005. - Vol. 38. - № 8. - P. 1308-1312.

61 Chakraborty R. Low temperature bonding of microstructured fiber sensors / R. Chakraborty // Journal of Optics. - 2010. - Vol. 39. - № 1. - P. 22-31.

62 Sivasankar S. Optical bonding using silica nanoparticle sol-gel chemistry / S. Sivasankar, S. Chu // Nano Letters. - 2007. - Vol. 7. - № 10. - P. 3031-3034.

63 Glass direct bonding / G. Kalkowski, C. Rothhardt, R. Eberhardt [et al.] // ECS Meeting Abstracts. - 2012. - Vols. MA2012-02. - № 40. - P. 2982-2982.

64 Levy D. The sol-gel handbook / D. Levy, M. Zayat. - 1st ed. - Weinheim, Germany : Wiley-VCH, 2015.

65 Gismalla H. H. Direct synthesis of organic silicates / H. H. Gismalla, K. (Sudan) University of Khartoum. - University of Khartoum, Khartoum (Sudan), 2000.

66 Deetz J. D. Reactive modeling of the initial stages of alkoxysilane polycondensation: effects of precursor molecule structure and solution composition / J.

D. Deetz, R. Faller // Soft Matter. - 2015. - Vol. 11. - Reactive modeling of the initial stages of alkoxysilane polycondensation. - № 34. - P. 6780-6789.

67 Factors contributing to the stability of alkoxysilanes in aqueous solution / B. Arkles, J. R. Steinmetz, J. Zazyczny, P. Mehta // Journal of Adhesion Science and Technology. - 1992. - Vol. 6. - № 1. - P. 193-206.

68 Ageing Effect on the SiO2-based Inorganic-Organic Hybrid Materials / M. Zaharescu, A. Jitianu, A. Braileanu [et al.] // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. - 2001. - Vol. 64. - № 2. - P. 689-696.

69 Pohl E. R. Kinetics and mechanism of aqueous hydrolysis and condensation of alkyltrialkoxysilanes / E. R. Pohl, F. D. Osterholtz. - Текст: электронный //

Molecular Characterization of Composite Interfaces / ред. H. Ishida, G. Kumar. - Boston, MA : Springer US, 1985. - С. 157-170. - URL: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4899-2251-9_10 (дата обращения: 27.06.2025).

70 Aelion R. The hydrolysis and polycondensation of tetra alkoxysilanes / R. Aelion, A. Loebel, F. Eirich // Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas. - 1950.

- Vol. 69. - № 1. - P. 61-75.

71 Chao-Ching Chang. Preparation of solvent-dispersible nano-silica powder by sol-gel method / Chao-Ching Chang, Jo-Hui Lin, Liao-Ping Cheng // ^SHiffl.

- 2016. - Vol. 19. - № 4.

72 Formation and prevention of fractures in sol-gel-derived thin films / E. J. Kappert, D. Pavlenko, J. Malzbender [et al.] // Soft Matter. - 2015. - Vol. 11. - № 5.

- P. 882-888.

73 Characterisation of sol-gel-derived silica films / C. McDonagh, F. Sheridan, T. Butler, B. D. MacCraith // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1996. - Vol. 194.

- № 1-2. - P. 72-77.

74 Karasinski P. Influence of technological parameters on the properties of solgel silica films / P. Karasi // Optica Applicata. - 2005. - № 35. - P. 117-128.

75 Influence of silane content on the optical properties of sol gel derived spin coated silica thin films / R. K. Satvekar, M. R. Phadatare, V. A. Karande [et al.] // International Journal of Basic and Applied Sciences. - 2012. - Vol. 1. - № 4. - P. 468476.

76 Mechanical and chemical properties of thick hybrid sol-gel silica coatings from acid and base catalyzed sols / A. Mehner, J. Dong, T. Prenzel [et al.] // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 2010. - Vol. 54. - № 3. - P. 355-362.

77 Meixner D. L. Influence of Sol-Gel Synthesis Parameters on the Microstructure of Particulate Silica Xerogels / D. L. Meixner, P. N. Dyer // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 1999. - № 14. - P. 223-232.

78 Fardad M. A. Catalysts and the structure of SiO2 sol-gel films / M. A. Fardad. // Journal of Materials science. - 2000. - Vol. 35. - P. 1835-1841.

79 Karmakar B. Dense silica microspheres from organic and inorganic acid hydrolysis of TEOS / B. Karmakar, G. De, D. Ganguli // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2000. - Vol. 272. - № 2-3. - P. 119-126.

80 Matsoukas T. Dynamics of growth of silica particles from ammonia-catalyzed hydrolysis of tetra-ethyl-orthosilicate / T. Matsoukas, E. Gulari // Journal of Colloid and Interface Science. - 1988. - Vol. 124. - № 1. - P. 252-261.

81 Dhahir M. K. Study the effect of pH variation on the particle size of SiO2 thin films / M. K. Dhahir, H. A. Khyoon // Iraqi Journal Of Laser. - 2016. - P. 1-8.

82 Dutta B. K. Development of a porous silica film by sol-gel process / B. K. Dutta, T. M. A. Ellateif, S. Maitra // World Academy of Science, Engineering and Technology. - 2011. - Vol. 5. - № 1.

83 Klein L. C. Tetraethylorthosilicate (TEOS) / L. C. Klein, G. J. Garvey // MRS Proceedings. - 1984. - Vol. 32. - P. 33.

84 Tejedor-Tejedor M. I. Evaluation of ATR-FTIR spectroscopy as an "in situ" tool for following the hydrolysis and condensation of alkoxysilanes under rich H2O conditions / M. I. Tejedor-Tejedor, L. Paredes, M. A. Anderson // Chemistry of Materials.

- 1998. - Vol. 10. - № 11. - P. 3410-3421.

85 Fyfe C. A. quantitative kinetic analysis by high-resolution 29Si NMR spectroscopy of the initial stages in the sol-gel formation of silica gel from tetraethoxysilane / C. A. Fyfe, P. P. Aroca // Chemistry of Materials. - 1995. - Vol. 7.

- № 10. - P. 1800-1806.

86 Kinetics of the acid-catalyzed hydrolysis of tetraethoxysilane (TEOS) by 29Si NMR spectroscopy and mathematical modeling / J. C. Echeverría, P. Moriones, G. Arzamendi [et al.] // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 2018. - Vol. 86.

- № 2. - P. 316-328.

87 Venkateswara Rao A. Effect of gel parameters on monolithicity and density of silica aerogels / A. Venkateswara Rao, N. N. Parvathy // Journal of Materials Science.

- 1993. - Vol. 28. - № 11. - P. 3021-3026.

88 Micro-Raman monitoring of solvent-free TEOS hydrolysis / I.-G. Marino, P. P. Lottici, D. Bersani [et al.] // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2005. - Vol. 351.

- № 6-7. - P. 495-498.

89 Incipient polymerization of SiO2 in acid-catalyzed TMOS sol-gel systems with molar water/alkoxide ratio between 0.5 and 32 / J. J. Van Beek, D. Seykens, J. B. H. Jansen, R. D. Schuiling // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1991. - Vol. 134.

- № 1-2. - P. 14-22.

90 Issa A. Kinetics of alkoxysilanes and organoalkoxysilanes polymerization: a review / A. Issa, A. Luyt // Polymers. - 2019. - Vol. 11. - Kinetics of Alkoxysilanes and Organoalkoxysilanes Polymerization. - № 3. - P. 537.

91 Hydrolysis and condensation reactions of Si(OC2H5)4 related to silica fiber drawing: glasses and glass ceramics from gels / K. Kamiya, Y. Iwamoto, T. Yoko, S. Sakka // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1988. - Vol. 100. - № 1. - P. 195-200.

92 Strawbridge I. The effect of the H2O/TEOS ratio on the structure of gels derived by the acid catalysed hydrolysis of tetraethoxysilane / I. Strawbridge, A. F. Craievich, P. F. James // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1985. - Vol. 72. -№ 1. - P. 139-157.

93 NMR study of the sol/gel polymerization / J. C. Pouxviel, J. P. Boilot, J. C. Beloeil, J. Y. Lallemand // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1987. - Vol. 89. - № 3.

- P. 345-360.

94 Sol-gel transition in simple silicates: proceedings of the international workshop on glasses and glass ceramics from gels / C. J. Brinker, K. D. Keefer, D. W. Schaefer, C. S. Ashley // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1982. - Vol. 48. - № 1.

- P. 47-64.

95 Blum J. B. Gas chromatography study of the acid catalyzed hydrolysis of tetraethylorthosilicate [Si(OC2Hs)4] / J. B. Blum, J. W. Ryan // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1986. - Vol. 81. - № 1. - P. 221-226.

96 Yoldas B. E. Effect of molecular separation on the hydrolytic polycondensation of Si(OC2H5)4: proceedings of the third international workshop on

glasses and glass ceramics from gels / B. E. Yoldas // Journal of Non-Crystalline Solids.

- 1986. - Vol. 82. - № 1. - P. 11-23.

97 Effects of H2O on structure of acid-catalysed SiO2 sol-gel films / M. A. Fardad, E. M. Yeatman, E. J. C. Dawnay [h gp.] // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1995. - Vol. 183. - № 3. - P. 260-267.

98 Lee J.-H. Porous silica ceramics prepared by sol-gel process-effect of H2O/TEOS molar ratio- / J.-H. Lee, W.-J. Kim, J. Lee // Journal of the Korean Ceramic Society. - 1997. - Vol. 34. - № 2. - P. 216-224.

99 Effect of precursor, solvvent, and water molar ratios on surface area and porosity of tetraethoxysilane silica aerogels / A. V. Rao, P. B. Wagh, G. M. Pajonk, D. Haranath // Materials Science and Technology. - 1998. - Vol. 14. - № 3. - P. 236240.

100 Twej W. A. A. Study of R-molar ratio effect on the transformation of tetraethylorthosilicat precursor to gels in sol-gel technique / W. A. A. Twej, F. J. Al-maliki, B. T. Chiad // Baghdad Science Journal. - 2009. - Vol. 6. - № 3.

101 The early stages of the sol-gel processing of TEOS: Code: AP4 / B. Unger, H. Jancke, M. HAhnert, H. Stade // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 1994.

- Vol. 2. - P. 51-56.

102 Twej W. A. A. Temperature influence on the gelation process of tetraethylorthosilicate using sol-gel technique // Iraqi Journal of Science. - 2009.

- Vol. 50. - №. 1. - P. 43-49.

103 Synthesis and characterization of ultramicroporous silica xerogels / J. C. Echeverría, J. Estella, V. Barbería [h gp.] // Journal of Non-Crystalline Solids.

- 2010. - Vol. 356. - № 6. - P. 378-382.

104 Hegde N. D. Effect of Processing Temperature on Gelation and Physical Properties of Low Density TEOS Based Silica Aerogels / N. D. Hegde, A. V. Rao // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 2006. - Vol. 38. - № 1. - P. 55-61.

105 Colby M. W. Effects of temperature on formation of silica gel: proceedings of the third international workshop on glasses and glass ceramics from gels /

M. W. Colby, A. Osaka, J. D. Mackenzie // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1986.

- Vol. 82. - № 1. - P. 37-41.

106 Colby M. W. Temperature dependence of the gelation of silicon alkoxides / M. W. Colby, A. Osaka, J. D. Mackenzie // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1988.

- Vol. 99. - № 1. - P. 129-139.

107 Kamiya K. Synthesis of SiO2 glass fibres from Si(OC2Hs)4-H2O-C2HsOH-HCI solutions through sol-gel method / K. Kamiya, T. Yoko. - 1986. - Vol. 21. - № 3.

- P. 842-848.

108 Shukla B. S. Effect of ethanol on the density and morphology of monolithic SiO2 glass prepared by the sol-gel method / B. S. Shukla, G. P. Johari // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1988. - Vol. 101. - № 2. - P. 263-270.

109 Gupta R. Effect of ethanol variation on the internal environment of sol-gel bulk and thin films with aging / R. Gupta, S. Mozumdar, N. K. Chaudhury // Biosensors and Bioelectronics. - 2005. - Vol. 21. - № 4. - P. 549-556.

110 Chang S. Y. Map of gel times for three phase region tetraethoxysilane, ethanol and water: advanced materials from gels / S. Y. Chang, T. A. Ring // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1992. - Vol. 147-148. - P. 56-61.

111 Minehan W. T. Synthesis of spherical silica particles by spontaneous emulsification : The Colloid Chemistry of Silica / W. T. Minehan, G. L. Messing // Colloids and Surfaces. - 1992. - Vol. 63. - № 1. - P. 181-187.

112 Donatti D. A. A dissolution and reaction modeling for hydrolysis of TEOS in heterogeneous TEOS-water-HCl mixtures under ultrasound stimulation / |D. A. Donatti, A. I. Ruiz, D. R. Vollet // Ultrasonics Sonochemistry. - 2002. - Vol. 9.

- № 3. - P. 133-138.

113 Vollet D. R. A kinetic model for the ultrasound catalyzed hydrolysis of solventless TEOS-water mixtures and the role of the initial additions of ethanol / D. R. Vollet, D. A. Donatti, J. R. Campanha // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 1996. - Vol. 6. - № 1. - P. 57-63.

114 A kinetic study of the effect of ultrasound power on the sonohydrolysis of tetraethylorthosilicate / A. D. S. Cortes, D. A. Donatti, A. Ibanez Ruiz, D. R. Vollet // Ultrasonics Sonochemistry. - 2007. - Vol. 14. - № 6. - P. 711-716.

115 Donatti D. A. Effects of the water quantity on the solventless TEOS hydrolysis under ultrasound stimulation / D. A. Donatti, D. R. Vollet // Journal of SolGel Science and Technology. - 2000. - Vol. 17. - № 1. - P. 19-24.

116 ГОСТ 14760-69 Клеи. Метод определения прочности при отрыве (утв. Госстандарт СССР 20.06.1969). - М.: Ордена «Знак Почета» Издательство стандартов, 1988.

117 Kinetic study of alkoxysilane hydrolysis under acidic conditions by Fourier transform near infrared spectroscopy combined with partial least-squares model / Q. Zhai, C. Zhou, S. Zhao [et al.] // Industrial & Engineering Chemistry Research. - 2014. -Vol. 53. - № 35. - P. 13598-13609.

118 Optical fiber Fabry-Perot interferometer refractive index sensor based on Vernier effect for silica colloidal sol aging monitoring / L. Huang, G. Zhou, L. Yan [et al.] // Optical Fiber Technology. - 2020. - Vol. 60. - P. 102338.

119 Установление кинетических зависимостей процесса золь-гель синтеза диоксида кремния на основе тетраэтоксисилана с использованием рефрактометрического оптоволоконного датчика на принципе обратных отражений / Л.А. Жикина, А.М. Минкин, А.Н. Васянин, М.Т. Краузина, Н.А. Медведева // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2023. -№ 4. - С. 108-121.

120 Fiber Bragg grating-based fiber sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature / H. Meng, W. Shen, G. Zhang [et al.] // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2010. - Vol. 150, № 1. - P. 226-229.

121 Измерение температурного коэффициента показателя преломления методом отклонения лазерного пучка в среде с линейным градиентом температуры / П.А. Лойко, К.В, Юмашев, Н.В. Кулешов, А.А. Павлюк. // Приборы и методы измерений. - 2010. - № 1 (1). - С. 70-77.

122 Tubino M. Biodiesel synthesis with alkaline catalysts: A new refractometric monitoring and kinetic study / M. Tubino, J. G. R. Junior, G. F. Bauerfeldt // Fuel. - 2014.

- Vol. 125. - Biodiesel synthesis with alkaline catalysts. - P. 164-172.

123 O'Neil, M.J. (ed.). The Merck Index - An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals. Whitehouse Station, NJ: Merck and Co., Inc., 2006., p. 657

124 Daimon M. Measurement of the refractive index of distilled water from the near-infrared region to the ultraviolet region / M. Daimon, A. Masumura // Applied Optics. - 2007. - Vol. 46. - № 18. - P. 3811.

125 Rheims J. Refractive-index measurements in the near-IR using an Abbe refractometer / J. Rheims, J. Koser, T. Wriedt // Measurement Science and Technology.

- 1997. - Vol. 8. - № 6. - P. 601-605.

126 Heat of reaction of the hydrolysis-polymerization process of tetraethyl orthosilicate in acidic condition / J. Matsuoka, M. Numaguchi, S. Yoshida, N. Soga // Journal of Sol-Gel Science and Technology. - 2000. - Vol. 19. - P. 661-664.

127 Osterholtz F. D. Kinetics of the hydrolysis and condensation of organofunctional alkoxysilanes: a review / F. D. Osterholtz, E. R. Pohl // Journal of Adhesion Science and Technology. - 1992. - Vol. 6. - Kinetics of the hydrolysis and condensation of organofunctional alkoxysilanes. - № 1. - P. 127-149.

128 Ro J. C. Sol-gel kinetics of tetraethylorthosilicate (TEOS) in acid catalyst / J. C. Ro, I. J. Chung // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1989. - Vol. 110. - № 1.

- P. 26-32.

129 Turner C. W. Studies of the hydrolysis and condensation of tetraethylorthosilicate by multinuclear (1H, 17O, 29Si) NMR spectroscopy / C. W. Turner, K. J. Franklin // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1987. - Vol. 91.

- № 3. - P. 402-415.

130 Aelion R. Hydrolysis of Ethyl Silicate* / R. Aelion, A. Loebel, F. Eirich // Journal of the American Chemical Society. - 1950. - Vol. 72. - № 12. - P. 5705-5712.

131 Petzold L. Automatic selection of methods for solving stiff and nonstiff systems of ordinary differential equations / L. Petzold // SIAM Journal on Scientific and Statistical Computing. - 1983. - Vol. 4. - № 1. - P. 136-148.

132 Bates R. G. Determination of pH: theory and practice. determination of pH; / R. G. Bates. - New York : John Wiley & Sons Inc, 1973. - 496 p.

133 Coltrain B. K. Effect of hydrogen ion concentration on gelation of tetrafunctional silicate sol-gel systems / B. K. Coltrain, S. M. Melpolder, J. M. Salva // Ultrastructure processing of advanced materials. - 1992. - Vol. 69. - P. 76.

134 Effect of cerium on the physicochemical and anticorrosive features of TEOS -GPTMS sol-gel coatings deposited on the AZ31 magnesium alloy / C. A. Hernández-Barrios, J. A. Saavedra, S. L. Higuera [et al.] // Surfaces and Interfaces.

- 2020. - Vol. 21. - P. 100671.

135 Effect of the catalyst concentration, the immersion time and the aging time on the morphology, composition and corrosion performance of TEOS-GPTMS sol-gel coatings deposited on the AZ31 magnesium alloy / C. A. Hernández-Barrios, C. A. Cuao, M. A. Jaimes [et al.] // Surface and Coatings Technology. - 2017. - Vol. 325.

- P. 257-269.

136 Cihlár J. Hydrolysis and polycondensation of ethyl silicates. 1. Effect of pH and catalyst on the hydrolysis and polycondensation of tetraethoxysilane (TEOS) / J. Cihlár // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 1993.

- Vol. 70. - № 3. - P. 239-251.

137 Curran M. D. Morphology and pore structure of silica xerogels made at low pH / M. D. Curran, A. E. Stiegman // Journal of Non-Crystalline Solids. - 1999.

- Vol. 249. - № 1. - P. 62-68.

138 Григорян С. Г. Получение пористых ксерогелей диоксида кремния и модифицированных керамических монолитов золь-гель методом с использованием органозолей / С. Г. Григорян ; С. С. Автандилян ; Р. С. Григорян ; Г. Г. Балаян // Химический журнал Армении. - 2011. - Т. 64. - №. 1. - С. 16-26.

139 Мурашкевич А. Н. Получение пленок SiO2 золь-гель методом и их свойства / А. Н. Мурашкевич, Т. В. Камлюк, И. М. Жарский. - Text: electronic. -2003. - URL: https://elib.belstu.by/handle/123456789/32421 (date accessed: 28.06.2025).

140 Zerda T. W. Study of polymerization processes in acid and base catalyzed silica sol-gels / T. W. Zerda, I. Artaki, J. Jonas // Journal of Non-Crystalline Solids.

- 1986. - Vol. 81. - № 3. - P. 365-379.

141 Synthesis and characteristic of silica aerogels / M. Stolarski, J. Walendziewski, M. Steininger, Barbara Pniak // Applied Catalysis A: General. - 1999.

- Vol. 177. - № 2. - P. 139-148.

142 Controlled hydrophilic/hydrophobic property of silica films by manipulating the hydrolysis and condensation of tetraethoxysilane / X. Yang, L. Zhu, Y. Chen [et al.] // Applied Surface Science. - 2016. - Vol. 376. - P. 1-9.

143 Silva D. G. D. Preparation of antireflective silica coating by the sol-gel method for heliothermic power plants / D. G. D. Silva, V. C. Costa, R. A. X. Nunes.

- Text: electronic // Materials Research. - 2018. - Vol. 21. - № 3.

144 Iler R. K. The chemistry of silica: solubility, polymerization, colloid and surface properties, and biochemistry. The chemistry of silica / R. K. Iler. - New York : Wiley, 1979. - xxiv, 866 p.

145 Litton D. A. Modeling of hydrophilic wafer bonding by molecular dynamics simulations / D. A. Litton, S. H. Garofalini // Journal of Applied Physics. - 2001.

- Vol. 89. - № 11. - P. 6013-6023.

146 Жикина Л. А. Особенности соединения изделий из кварцевого стекла / Л. А. Жикина // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2021.

- № 3(43). - С. 115-123.

147 Ivanov K. S. Structure formation in the SiO2-Na2O-H2O system during the fabrication of foam glass ceramics by extrusion / K. S. Ivanov // Inorganic Materials.

- 2019. - Vol. 55. - № 3. - P. 277-283.

148 Roggendorf H. Structural evolution of sodium silicate solutions dried to amorphous solids : 8th Int. Conf. on Non-Crystalline Materials / H. Roggendorf, D. Boschel, J. Trempler // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2001. - Vols 293-295.

- P. 752-757.

149 Ivanov K. S. Influence of the methods of preparing a silicate-sodium mixture on the formation of the structure of foam glass ceramics / K. S. Ivanov // Glass Physics and Chemistry. - 2019. - Vol. 45. - № 1. - P. 60-65.

150 A fiber-optic sensor for simultaneous temperature and pressure measurements based on a Fabry-Perot interferometer and a fiber Bragg grating / K. M. Fadeev, D. D. Larionov, L. A. Zhikina [et al.] // Instruments and Experimental Techniques. - 2020. - Vol. 63, No. 4. - P. 543-546.

151 Моделирование диэлектрического датчика вибрации / К. А. Сафарян, А. А. Голдобин, А. М. Минкин [и др.] // Прикладная фотоника.

- 2023. - Т. 10. - № 4. - С. 40-50.

152 Экономика организации (предприятия): учебное пособие / Т. К. Руткаускас [и др.]; под общ. ред. д-ра экон. наук, проф. Т. К. Руткаускас.

- 2-е изд., перераб. и доп. - Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 2018. - 260 с.

Акт внедрения результатов диссертационной работы

Акционерное общество «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение»

пнппк

Публичное акционерное общество «Пермская научно-производственная приборостроительная компания»

(ПАО «ПНППК»)

Россия, 614002, г. Пермь, ул. 25 Октября, 106 тел.: [phone], факс: [phone], e-mail: [e-mail] ИНН 5904000395, КПП 590401001

1С

ГОСТ РИСО»001 ГОСТ PB 0015002 к ' >' VvIPT,

№ 66/61-96-а от 04.09.2025 г.

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы Жикиной Людмилы Алексеевны

утверждаю:

енеральный директор ПАО «ПНППК» А. Г. Андреев 2025г.

Настоящий акт свидетельствует о том, что результаты диссертационного исследования Л. А. Жикиной на тему: «Разработка физико-химических основ золь-гель технологии формирования соединения стеклообразных материалов для создания микроструктурированных фотонных устройств» внедрены в производственный цикл ПАО «ПНППК» при изготовлении чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления ПИКВ.203729.183 и датчиков вибрации ПИКВ.203729.185. Ключевые внедренные решения:

1. технология формирования монолитных соединений кварцевого стекла на основе кислотно-катализируемого золь-гель синтеза;

2. методика in-situ контроля кинетики гидролиза с использованием волоконно-оптического рефрактометра;

3. система параметров термообработки, обеспечивающая совместимость золь-гель раствора с кварцевым стеклом.

По основным показателям внедрения при испытаниях на опытных образцах отмечено, что внедрение стеклообразующего состава вместо УФ-отверждаемого клея для соединения кварцевых деталей чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков вибрации и давления позволило:

• снизить значение коэффициента преобразования от действительного значения, вызванного изменением температуры окружающей среды в рабочем диапазоне температур (от плюс 25 °С до 155 °С) для чувствительных элементов датчика вибрации в среднем с 20% до 5%;

• повысить стабильность показаний изменения фазы от температуры для чувствительных элементов датчиков давления при термоциклировании (от минус 60 °С до плюс 85 °С) до 1%.

Результаты работы в комплексе с оптимизацией производственного цикла обеспечили создание конкурентоспособной продукции для аэрокосмической и энергетической отраслей.

Согласовано:

Заместитель генерального директора по науке -директор НТЦ - главный конструктор ПАО «ПНППК»

? to

1st

А. В. Субботин

НОУ-ХАУ

>ТВЕРЖДАЮ

приооррстроительная компания» А.Г. .Андреев

« ^^ 202* г.

Паспорт

НОУ-ХАУ

«Технология сборки ДЦВО»

Данное ноу-хау является интеллектуальной собственностью ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».

Ноу-хау создано в рамках проекта 6664.0011 «Создание научно-технического задела по разработке оптоэлектронных модулей для унифицированного ряда программно-аппаратных платформ, первичных преобразователей и компонентной базы для измерительных волоконно-оптических систем общепромышленного и специального назначения», субсидируемой в рамках постановления Правительства № 109. Срок действия - 5 лет с момента утверждения.

{/ Зам. ГД по науке - директор НТЦ - _ у' А.В. Субботин

в главный конструктор / ^>-< **

Координатор РИД ____и О.Л. Кель

Согласовано:

Начальник ОИП

Г.К. Шакирова

Главный бухгалтер

А.В. Ботова

НОУ-ХАУ

>ТВЕГЖДАЮ

л »

() Генеральный директор

^ 20 ^г.

Паспорт

НОУ-ХАУ

«Технология сборки ДВВО»

Данное ноу-хау является интеллектуальной собственностью ПАО «Пермская научно-производственная приборостроительная компания».

Ноу-хау создано в рамках проекта 6664.0011 «Создание научно-технического задела по разработке оптоэлектронных модулей для унифицированного ряда программно-аппаратных платформ, первичных преобразователей и компонентной базы для измерительных волоконно-оптических систем общепромышленного и специального назначения», субсидируемой в рамках постановления Правительства № 109.

Срок действия - 5 лет с момента утверждения.

у Зам. ГД по науке -^ главный конструю

Координатор РИД

Зам. ГД по науке - директор НТЦ -главный конструктор

О.Л. Кель

А.В. Субботин

Согласовано:

Начальник ОИП

Г.К. Шакирова

Главный бухгалтер

А.В. Ботова