Электроды тонкие: Электроды для тонкого металла

Электроды тонкие: Электроды для тонкого металла – Купить на weldmarket.online

alexxlab | 14.11.1995 | 0 | Разное

Содержание

Самые тонкие сварочные электроды для сварки тонкого металла

Размер диаметра электрода является одним из основных параметров при выборе, так как требуется подбирать расходные материалы толщиною, примерно, как основной металл. Естественно, что рано или поздно приходится сталкиваться с тонкими листами, сваривание которых не только является сложным технологическим процессом, который требует большого опыта, но и его невозможно провести без специальных материалов и инструментов. В большинстве случаев их стараются соединить при помощи газовой сварки, но если таковой возможности не имеется, то приходится использовать самые тонкие сварочные электроды.

Тонкие сварочные электроды

Не во всех марках есть материалы, которые могут удовлетворять данному запросу, так как в некоторых случаях толщина начинается от 2 мм. Тонкими можно назвать те, которые меньше 2 мм в диаметре. Электроды для тонкого металла практически полностью сохраняют соотношение количества обмазки по отношению к количеству материала на стержне. Как правило, это одна треть от общей массы. Такие вещи сложнее в изготовлении и они не так часто применяются. С появлением небольших домашних инверторов, которые имеют небольшой диапазон работы, тонкие электроды для сварки стали более популярными, так как мощность той техники могла расплавить максимум 3 мм присадочный материал.

Электроды для сварки

Самые тонкие электроды для дуговой сварки достаточно сложные в применении, так как скорость их плавления намного выше, чем у стандартных. Для этого следует подбирать специальные режимы, но для получения качественных результатов этого может оказаться недостаточно. Здесь нужен практический опыт, так как есть большой риск перепаливания основного металла. Также есть ряд требований к оборудованию, к примеру, держатель должен надежно фиксировать электрод. У сварочного трансформатора должна быть тонкая регулировка, чтобы можно было точно подобрать нужную силу тока. Скорость проведения процесса намного выше, чем в стандартной ситуации.

Самые тонкие электроды для дуговой сварки

Защита, которую создает обмазка, является относительно небольшой, за счет тонкого слоя покрытия. Но этого может хватать, так как сварочная ванна также небольшого размера. Желательно использовать флюс для металла, чтобы улучшить свойства сваривания и защитить шов. Здесь нужно хорошо регулировать баланс глубины проваривания, чтобы наплавленный металл взялся на основном, но при этом не получилось дыр. Также стоит учитывать, что при сварке тонкого металла есть вероятность появления температурной деформации. Чтобы этого не случилось, шов следует делать не сразу на всей протяженности, а небольшими полосками. Также нужно сделать прихватки по всей длине, чтобы все не сгибалось.

Сварка металла тонким электродом

Электроды для сварки металлов 1 мм относятся к узкопрофильным и профессионалами используются редко. Но они не имеют альтернативы, так что в арсенале профессионала они обязательно должны быть. Главное их правильно подобрать, а потом использовать согласно технологии, чтобы не было большого количества брака.

Преимущества тонких электродов

Это единственный расходный материал, которым можно осуществить дуговую сварку тонких изделий без большого риска перепалить заготовку;
Электроды для сварки инвертором тонкого металла имеют относительно небольшую стоимость, так что всегда можно купить большое количество материала;
По своим физическим свойствам и составу они почти не уступают более толстым представителям марки;
Электроды быстро подготавливаются, так как просушка и прокалка занимает относительно небольшое количество времени.

Недостатки тонких электродов

Электроды для сварки инвертором тонкого металла не предназначены для работы с толстыми деталями, так как не смогут проварить на нужную толщину;
Существуют сложности с работой, так как техника сваривания отличаются от обыкновенной;
Из-за размера они быстро заканчиваются и приходится часто менять расходный материал;
Недостаточный слой обмазки делает защиту сварочной ванны не столь надежной;
Зачастую требуется использовать дополнительные расходные материалы;
Далеко не все марки выпускаются в столь мелком варианте, поэтому, иногда возникают сложности с подборкой.

Технические характеристики

Технические характеристики электрода зависят от того, какие элементы входят в его состав, а также от физических свойств металла, из которого сделан стержень и что входит в состав обмазки.

Температура испытаний, градусы Цельсия	Временное сопротивление разрыву, Н/мм2	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, Дж/см2	KCV>34 Дж/см2 при температуре, градусы Цельсия
+ 20	460	18	<78	– 20

Производительность наплавки, г/мин		Относительный выход наплавленного металла, %		Расход материала на 1 кг наплавленного шва, кг
23,5		90		1,7

Размеры тонких электродов от различных фирм производителей

Самый тонкий электрод для сварки имеет диаметр 0,8 мм. Помимо этого в линейках встречаются материалы толщиной 1 мм; 1,2 мм; 1,6 мм; 2 мм.

Среди марок, которые выпускают такие размеры можно встретить:

МР-3;
МР-3С;
УОНИ-13 45;
УОНИ-13 55;
Э-46;
АНО 21.

Выбор

Электроды для сварки тонколистового металла подбираются по тем же принципам, что и стандартные. В первую очередь следует обратить внимание на состав, чтобы стержень наплавочного металла соответствовал основному. Это обеспечит лучшее соединение, так как на краях шва не будут образовывать слабые места, а вся структура будет более однородной. Также следует опираться на то, какие режимы поддерживает сварочный аппарат, чтобы они совпадали с теми, на которые рассчитан электрод.

«Важно!Ни в коем случае не стоит стараться проваривать заготовки, толщина которых на несколько миллиметров больше, чем толщина электрода.»

Режимы и особенности применения

Толщина заготовки, мм	0,8	1	1,5	2
Толщина электрода, мм	1	1,6	2	2,5
Сила тока, A	10…20	30…35	35…45	50…65

Главной особенностью применения является более высокая скорость сваривания. В отличие от сварки нержавейки, где этот фактор вызван более высокой текучестью, здесь сохраняется прежняя вязкость. Благодаря этому соединение в вертикальном и потолочном положении становится более легким. Это один из немногих случаев, когда электроды можно брать с более низким диаметром, чем основной металл, особенно если это касается потолочной сварки. Как видно из таблицы, даже небольшое отклонение в 5 А может привести к тому, что режим будет нарушен и возможно появление брака. Чем выше толщина, тем менее заметна эта разница, хотя здесь и есть зависимость от того, какой сорт металла используется.

Сварка тонким электродом

Диаметр и размер электродов обязательно необходимо учитывать при выборе данного инструмента, ведь рекомендуется производить подбор расходных материалов именно исходя из этих параметров. Иногда происходит такое, что при спаивании тонких пластин из металла нужно пользоваться специализированными инструментами, ведь данный процесс очень сложный и трудоемкий. Нужно приобрести специальные инструменты и материалы а также такие работы в состоянии произвести только опытный специалист. Часто такие металлы пытаются соединять между собой с помощью газовой сварки, однако не у всех существует такая возможность, поэтому приобретаются тонкие электроды для сварки.

Сварка тонкого металла электродом

Не все производители занимаются созданием материалов, которые полностью соблюдают такие запросы потребителей, ведь в большинстве случаев минимальная толщина электродов составляет 2 мм. Ну а действительно тонкие электроды имеют меньший диаметр, чем 2 мм. В тех электродах, которые предназначаются для тонких металлов, обмазка и материал на стержне находятся в полном соответствии друг с другом. Обычно они составляют 1/3 от общей массы электродов. Данные инструменты довольно сложные в создании, ада и применяют их только в редких случаях. При появлении специальных инверторов, которые используются в домашних условиях и имеют небольшую мощность, теперь намного чаще используют тонкие электроды, ведь мощность данного аппарата не выдерживает большие размеры электродов, и не может расплавить их до необходимого состояния.

Если необходимо применить дуговую сварку, то тонкие электроды в этих случаях довольно сложно использовать, ведь плавятся они намного быстрее, чем стандартные инструменты для сварки. Именно поэтому рекомендуется тщательно подбирать режим, вот только в некоторых случаях даже этого бывает недостаточно. Необходимо проводить такие работы только настоящим профессионалам, ведь материал можно переплавить и привести в негодность. Также оборудование должно соответствовать всем необходимым требованиям, например стоит пользоваться надежным держателем. Который будет крепко удерживать электрод на одном месте. Сварочный трансформатор должен регулироваться, чтобы точно выбрать необходимую силу подачи тока. Процесс проходит намного быстрее, чем в стандартных условиях, поэтому все действия необходимо производить быстро и с высокой точностью.

Как варить тонкими электродами

Обмазка создает особую защиту, однако она довольно небольшая, ведь диаметр электрода также маленький. Вот только этого вполне может хватить, ведь и ванна сварочная также небольшая. Рекомендуется пользоваться дополнительным флюсом для металла, чтобы сделать сваривание более качественным и обеспечить дополнительную защиту шву. Именно поэтому необходимо постоянно регулировать глубину проваривания, чтобы металлы хорошо схватились друг с другом, но не образовались дыры. Необходимо знать, что при сваривании тонкого металла может произойти деформация деталей от воздействия высоких температур. Именно поэтому шов нужно делать при помощи небольших полосок. Также стоит сделать по всей длине деталей прихватки, чтобы избежать сгибов.

Электроды для тонкого металла

Электроды, предназначенные для сваривания металлов диаметром 1 мм являются узкопрофильными, поэтому их используют настоящие профессионалы, и то только в некоторых, особо сложных ситуациях. Однако аналогов им нет, поэтому мастера обязаны иногда пользоваться ими. Нужно только подобрать их правильно, а затем пользоваться ими только с соблюдением всех правил, чтобы не допустить брак.

Положительные стороны

единственный материал такого типа, при использовании которого осуществляется дуговая сварка тонких изделий без порчи изделий;
стоимость сравнительно приемлемая, поэтому можно сразу приобрести большую упаковку электродов;
физические свойства и состав практически такой же, как и у электродов более толстого диаметра;
электроды быстро просушиваются и накаливаются, поэтому подготовка проходит максимально быстро.

Отрицательные стороны

электроды с небольшим диаметром нельзя использовать при сваривании толстых и массивных деталей, ведь не в состоянии проварить материал до необходимого состояния;
работа с ними довольно сложная, ведь здесь необходима совершенно другая техника сваривания заготовок;
расходный материал постоянно нужно менять, ведь электроды тонкого размера быстро заканчиваются;
часто не хватает обмазки, поэтому сварочная ванна может получиться не очень качественной;

может потребоваться дополнительное приобретение расходных материалов;
довольно сложно отыскать необходимые электроды, ведь не все производители выпускают инструменты нужного диаметра.

Характеристики тонких электродов

Технические характеристики электродов данного образца находятся в прямой зависимости от того, что находится в составе материала, а также от того, какой металл необходимо подвергнуть обработке, какова обмазка и вещества для создания стержня.

Выбор и его особенности

Тонкие сварочные электроды необходимо подбирать по тем же характеристикам и свойствам, что и остальные электроды. Необходимо сначала определиться с составом, рекомендуется, чтобы основной стержень был сделан из того же металла, что и наплавочный металл. Именно от этого зависит, насколько качественным будет данное соединение, ведь нужно сделать так, чтобы на швах не было слабых мест, и структура материала получилась однородной. Также рекомендуется смотреть на то, какие у сварочного аппарата режимы, ведь они должны совпадать с теми, которые подходит для электродов.

Важно! Нельзя проваривать слишком большие заготовки, которые имеют размеры больше, чем сами электроды.

Как применяются электроды

Особенность применения тонких элементов — это очень быстрая скорость сварки. Здесь вязкость остается прежней, поэтому соединение происходит намного более легче. Именно поэтому можно выбирать более узкие электроды, чем материал основного типа, особенно, если необходимо произвести потолочную сварку. Также многое зависит от сорта и производителя материалов, поэтому при выборе электродов необходимо внимательно изучить характеристики инструментов и выбрать наиболее оптимальные.

Прозрачные электроды на основе ультратонкой металлической пленки с относительным коэффициентом пропускания, превышающим 100 %

Стратегия достижения коэффициента относительного пропускания, превышающего 100 %

Относительный коэффициент пропускания, T _r , определяется как отношение абсолютного коэффициента пропускания структуры где прозрачная подложка покрыта металлическим электродом, T _D (см. рис. 1а), к абсолютному коэффициенту пропускания голой подложки, T _S (рис. 1б):

$$T_{\mathrm{r}} = \frac{{T_{\mathrm{D}}}}{{T_{\mathrm{S}}}} \приблизительно \frac {{1 – \left( {R_1 + A} \right) – R_2}}{{1 – R_2 – R_2}}.$$

(1)

где R ₁ – отражение в верхняя сторона DMD и A — поглощение металлической пленки, а R ₂ — отражение на границе раздела подложка/воздух. Для простоты многократное двустороннее отражение между передней и нижней поверхностями подложки игнорируется из-за незначительной интенсивности отражения на обеих границах раздела. Интуитивно, T _r считается меньше 100%, поскольку металлический электрод обычно является отражающим. Однако в этом разделе мы предоставим рекомендации, основанные на принципах просветления, для уменьшения R ₁ и A с использованием структуры DMD и покажем, что с оптимизированной конструкцией ( R ₁ + A ) может быть меньше, чем одностороннее отражение подложки, R ₂ , что приводит к относительному коэффициенту пропускания, превышающему 100%.

Рис. 1: Определение относительной передачи.

a Прозрачная подложка с DMD-структурой. b Голая основа.

Полноразмерное изображение

Как показано на рис. 2а, семь параметров (показатель преломления n ₂ и толщина d ₂ прозрачного диэлектрика 1, показатель преломления n 5 ₃ , коэффициент экстинкции, κ ₃ , и толщина, d ₃ металлической пленки, показатель преломления n ₄ и толщину d ₄ прозрачного диэлектрика 2) следует учитывать для оптимизации коэффициента пропускания. в широком спектре в видимом диапазоне, что затрудняет предоставление рекомендаций по количественному проектированию ^33,34,35 . Наша стратегия проектирования заключается в том, чтобы максимизировать коэффициент пропускания в условиях, когда металлическая пленка имеет достаточную толщину для достижения практического сопротивления листа; и, таким образом, эта стратегия обеспечивает синергетическое сочетание высокого оптического пропускания и высокой электропроводности прозрачных электродов на основе DMD.

Рис. 2: Теоретическая конструкция электрода DMD.

a Расчетные параметры и волны отражения на различных границах раздела прозрачного электрода DMD. б Векторная диаграмма отраженных волн. c Идеальный МДД и его параметры. d Расчетные значения левого и правого членов в уравнении. (9) при использовании 24 нм TiO ₂ и 9 нм Ag в качестве диэлектрика 2 и металлического слоя, соответственно, в структуре DMD, показывая, что уравнение. (9) хорошо выполняется во всем видимом диапазоне. e Оптимальный усредненный коэффициент пропускания электрода DMD в видимом диапазоне (400–700 нм) в зависимости от толщины диэлектрика 2. Здесь TiO ₂ и 9 нм Ag используются в качестве нижнего диэлектрического слоя и среднего металлического слоя , соответственно. Каждое оптимальное значение коэффициента пропускания при фиксированной толщине TiO ₂ находится путем свипирования показателя преломления ( n ₂) и толщины ( d ₂ ) из диэлектрика 1.

Изображение с полным размером

В качестве первого шага в процессе проектирования выбирается подходящий материал для многослойного металлического слоя с учетом его (i) электропроводности; (ii) свойство поглощения света в видимом диапазоне. Среди всех металлов серебро (Ag), медь (Cu) и золото (Au) имеют самое низкое собственное электрическое сопротивление. Поглощение света металлической пленкой в ДМД-структуре выражается как

$$A\left( {\lambda _0} \right) = \frac{{4\pi n_3\kappa _3}}{{\lambda _0 }}\frac{{{\int}_0^{d_3} {\left| {E \ влево ( г \ вправо)} \ вправо | ^ 2 {\ mathrm {d}} г}}} {{\ влево | {E_0} \right|^2}},$$

(2)

где E ( z ) — электрическое поле в металлической пленке, E ₀ — падающее электрическое поле, а λ _{0 9000 — длина волны в свободном пространстве. При заданной толщине металлического слоя следует выбирать металл с малой ( нк ) по малому поглощению и высокому коэффициенту пропускания. Среди Ag, Cu и Au Ag ( n = 0,13 и k = 3,17 на длине волны 550 нм ³⁸ ) предлагает самые низкие ( nk) в видимом диапазоне, поэтому в данном исследовании он используется в качестве металлического слоя. Учитывая малый показатель преломления Ag в реальной части, для простоты в остальной части этого раздела разумно принять n ₃ = 0.}

На следующем этапе определяются толщина и показатель преломления диэлектрика 2. Чтобы уменьшить потери на отражение на верхней поверхности, сумма двух векторов, показанных на рис. 2а, должна быть рассчитана так, чтобы компенсировать r ₁₂ , который представляет собой комплексный коэффициент отражения на границе раздела (интерфейс 1–2) между воздухом ( n ₁ = 1) и диэлектриком 1 ($r_{pq} = ( {\widetilde n_p{\kern 1pt } {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _p – \ widetilde n_q {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _q} )/( {\widetilde n_p{\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _p + \ widetilde n_q {\ kern 1pt} {\ mathrm {cos}} {\ kern 1pt} \ theta _q}) $ – коэффициент отражения при p – q интерфейс для TE-поляризации, где $\widetilde n_{p(q)} = n_{p(q)} + {\mathrm{i}}\kappa _{p(q)}\ ) — комплексный показатель преломления слоя p ( q ) и \(\theta _{p(q)}$ – направление распространения волны в соответствующем слое). Первый вектор равен r ₂₃ со сдвигом фазы, полученным из-за распространения волны в диэлектрике 1. Второй вектор равен r _3,45 с затуханием по величине в результате распространения в металлической пленке и с фазой смещение за счет распространения в диэлектрике 1. r _3,45 – коэффициент полного отражения на границе раздела 3–4 (где учитывается свет, отраженный от границы раздела 4 и 5), и может быть выражен как

$$r_{3,45} = \frac{{r_{34} + r_{45}{\kern 1pt} {\mathrm{exp}}{\kern 1pt} \left( {2{\mathrm{ {i}}}\frac{{2{\mathrm{\pi}}}}{\lambda}n_4d_4} \right)}}{{1 + r_{34}r_{45}{\kern 1pt} {\ mathrm{exp}}{\kern 1pt} \left( {2{\mathrm{{i}}}\frac{{2{\mathrm{\pi}}}}{\lambda}n_4d_4}\right)}} .$$

(3)

Чтобы компенсировать друг друга и получить R ₁ = 0, траектория этих трех векторов должна быть треугольником или они должны быть выровнены так, как показано на рис. 2б, поэтому

$$\слева| {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi} }}}{\lambda }{\mathrm{i}}\kappa _3d_3} \right){\kern 1pt} {\mathrm{exp}}{\kern 1pt} \left( {2{\mathrm{{i} }}\frac{{2{\mathrm{\pi }}}}{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| \г\влево| {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}} }{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| – \влево| {r_{12}} \right|. $$

(4)

Начиная с n ₃ = 0 как мы и предполагали,

$$\left| {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}} }{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| = 1 > \ влево | {r_{12}} \right|,$$

(5)

$$\left| {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}} }{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| = 1 > \ влево | {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi} }}}{\lambda }{\mathrm{i}}\kappa _3d_3} \right){\kern 1pt} {\mathrm{exp}}{\kern 1pt} \left( {2{\mathrm{i}} \frac{{2{\mathrm{\pi }}}}{\lambda }n_2d_2} \right)} \right|,$$

(6)

Таким образом, правый член в уравнении. (4) представляет собой минимальное значение левого члена, которое достигается, когда три вектора выровнены так, как показано на рис. 2b. В этом случае у нас есть

$$\left| {r_ {3,45} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi} }}}{\lambda }{\mathrm{i}}\kappa _3d_3} \right){\kern 1pt} {\mathrm{exp}}{\kern 1pt} \left( {2{\mathrm{{i} }}\frac{{2{\mathrm{\pi }}}}{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| = \ влево | {r_ {23} {\ kern 1pt} {\ mathrm {exp}} {\ kern 1pt} \left ( {2 {\ mathrm {{i}}} \ frac {{2 {\ mathrm {\ pi}}} }{\lambda }n_2d_2} \right)} \right| – \влево| {r_{12}} \right|,$$

(7)

Когда левый член в уравнении. (4) меньше этого минимального значения, отражение нельзя полностью подавить.

Так как левый член в уравнении. (4) уменьшается с увеличением толщины металлической пленки ( d ₃ ), | р _3,45 | должны быть разработаны для достижения его максимального значения, так что уравнение. (4) может быть выполнено для максимальной толщины металлической пленки для достижения высокой электропроводности. Чтобы максимизировать | р _3,45 |, r ₃₄ и r ₄₅ должны конструктивно мешать друг другу, так что

$$\psi _{{\mathrm{prop}}} + \psi _{45} – \ фунт/кв. ψ ₄₅ — фазовый угол r ₄₅ , представляющий фазовый сдвиг отражения на границе раздела 4–5. N ₄> N ₅ (показано позже). Приведено ψ ₄₅ = 0, ψ _Проп = 4 πn ₄ D 7 4 /7 ₄ D 7 4 /7 _{4 0008 D 7 4} / _{— это фазовый сдвиг, полученный при распространении волны в диэлектрике 2. Тогда мы получаем}

$$\psi _{34} = \frac{{4{\mathrm{\pi }}}}{\lambda} n_4d_4.$$

(9)

С | р _3,45 | увеличивается с n 92} \right)} \right]\) уменьшается с длиной волны за счет увеличения κ ₃ с длиной волны для Ag и значения 4 πn ₄ d ₄ / λ также уменьшается с длиной волны. Следовательно, уравнение (9) потенциально может выполняться самостоятельно в широком спектре, что приводит к высокому коэффициенту пропускания в широкой полосе частот.

Наконец, показатель преломления и толщина диэлектрика 1 выбираются надлежащим образом для обеспечения оптимального коэффициента пропускания. Векторная диаграмма на рис. 2b также дает

$$\psi _{23} – \psi _{3,45} = {\mathrm{\pi }},$$

(10)

$$\psi _{23} + \frac{ {4{\mathrm{\pi}}}}{\lambda}n_2d_2 – \psi _{12} = {\mathrm{\pi}}.$$

(11)

Замена ψ ₁₂ = π в уравнение (11) дает

$$\psi _{23} + \frac{{4{\mathrm{\pi }}}}{\lambda }n_2d_2 = 0. 2} \right)} \right]\) также уменьшается с длиной волны, потому что κ ₃ увеличивается с длиной волны для Ag. В отличие от уравнения (9), уравнение (12) не может быть выполнено в широком спектре. Таким образом, для достижения широкополосного высокого коэффициента пропускания нам необходимо сканировать показатель преломления и толщину диэлектрика 1 в небольшом диапазоне, чтобы найти оптимальное значение. Поскольку показатель преломления типичных диэлектриков составляет от ~1,38 (фторид магния, MgF ₂ ) до ~2,6 (диоксид титана, TiO ₂ ), требуемые усилия значительно снижаются по сравнению со случаем, когда показатели преломления и толщина все три слоя D-M-D должны быть оптимизированы.

Теперь мы суммируем процедуру проектирования высокопрозрачных электродов DMD. Шаг 1 (выберите n ₃ , κ ₃ и d ₃ ): выберите металлическую пленку с низкими потерями и высокой проводимостью для слоя DMD (в большинстве случаев используйте Ag). Толщина металлической пленки предназначена для достижения электропроводности, необходимой для практических применений. Стоит отметить, что более высокий общий коэффициент пропускания может быть достигнут при использовании более тонкой металлической пленки. Шаг 2 (выберите n ₄ ): используйте материалы с высоким показателем преломления для диэлектрика 2. Чем больше используется n ₄, тем выше общий коэффициент пропускания. Шаг 3 (определить d ₄ ): толщина диэлектрика 2 рассчитывается по уравнению. (9). Шаг 4 (дизайн n ₂ и d ₂ ): оптимизируйте показатель преломления и толщину диэлектрика 1 в небольшом диапазоне для достижения оптимального широкополосного пропускания.

Доказательство концепции

Во-первых, мы используем результаты для идеальной структуры DMD на одной длине волны (рис. 2c), представленные в предыдущем исследовании ³⁹, чтобы проверить рекомендации по проектированию, представленные в уравнениях. (9), (10) и (12). Согласно исх. ³⁹, Идеальный DMD может быть достигнут при выбранной длине волны для N ₁ = N ₅ = 1, N ₃ = 0, N ₂ = N = 0, N ₂ = N 6 ₄ = κ ₃ и D ₂ = D ₄ = λ /(8 κ ₃). Подставив n ₄ = κ ₃ в уравнение (9) дает D ₄ = λ /(8 κ ₃), заменив N ₂ = κ ₃ в уравнение. (12) дает d ₂ = λ /(8 κ ₃ ), и подставив n ₄ = κ ₃ в уравнение (10) дает n ₂ = n ₄ , что полностью согласуется с выводами, полученными в [2]. ³⁹ .

В реальных случаях подложкой не может быть воздух (т. е. n ₅ ≠ n ₁ ), а показатели преломления обычных диэлектриков обычно намного меньше коэффициентов экстинкции металлов в видимом диапазоне ( то есть n ₄ « κ ₃ ). Это означает, что для диэлектриков 1 и 2 в реалистичной структуре DMD, нацеленной на оптимальную широкополосную прозрачность, требуются разные материалы, т.е. Однако тот же материал использовался для диэлектриков 1 и 2 в большинстве предыдущих исследований (более 70 опубликованных работ ²⁸ ), что означает, что эти результаты не являются оптимальными с точки зрения оптического пропускания и указывает на необходимость предоставления количественных ориентиров в для получения оптимизированных конструкций электродов DMD.

Затем оптические характеристики электрода DMD на общей оптической подложке, ПЭТ, разработаны на основе предложенных нами рекомендаций. Гибкая подложка из ПЭТ демонстрирует усредненный абсолютный коэффициент пропускания ~ 88,0% в диапазоне от 400 до 700 нм, как показано на дополнительном рисунке 2. В качестве среднего металлического слоя используется пленка Ag толщиной 9 нм, а пленка TiO ₂ с записанным -высокий n ₄ = 2,6 сообщается в исх. ²⁷ используется для диэлектрика 2. На центральной длине волны видимого диапазона (т.е. 550 нм) ψ ₃₄ рассчитывается как 1,37, что приводит к толщине диэлектрика 2 d ₄ = 24 нм в соответствии с уравнением (9). Как показано на рис. 2d, уравнение. (9) удовлетворяется всему видимому спектру при D ₄ = 24 нм, потому что как левый ( ψ ₃₄) и справа (4 πn ₄ 9000 D ₄ / _{4 D _{4 0008 / λ ) члены уравнения уменьшаются с длиной волны, что согласуется с нашим предсказанием в приведенном выше обсуждении. Как показано на рис. 2e, более простой способ найти оптимальные d ₄ значение, при котором ДМД-структура имеет максимальное среднее пропускание в видимом диапазоне (400–700 нм), следует провести d ₄ в диапазоне (например, от 10 до 50 нм) и получить наилучший коэффициент пропускания при каждом значении d ₄ по показателю преломления ( n ₂ ) и толщине ( d ₂ ) диэлектрика 1. Как видно из графика, наивысшее усредненное абсолютное значение коэффициент пропускания ~890,8% достигается при d ₄ = 24 нм, что полностью согласуется с результатами расчетов по уравнению. (9) и тем самым подтверждает точность предложенного нами метода. Соответственно, показатель преломления и толщина диэлектрика 1 составляют N ₂ = 1,7 и D ₂ = 63 нм соответственно, когда самая высокая пропускание достигается при D ₄ = 24 Нм. Абсолютные спектры пропускания и отражения оптимизированной структуры, т.е. подложка ПЭТ/24 нм TiO ₂ /9 нм Ag/63 нм Диэлектрик 1, охватывающий весь видимый диапазон, показан на дополнительном рисунке 3. Этот n ₂ может быть изготовлен из пленки Al ₂ O ₃, изготовленной с использованием обычного осаждения методы. Относительный коэффициент пропускания оптимизированного DMD-электрода T _r составляет ~102,0% по сравнению с смоделированным коэффициентом пропускания (~88,0%) ПЭТ-подложки, что указывает на то, что предложенная нами процедура проектирования эффективно гарантирует оптимальные оптические характеристики DMD-структуры. и относительный коэффициент пропускания> 100% достижим при выборе подходящего материала и конструкции конструкции.}}

Экспериментальные демонстрации

На основании предыдущего анализа высокая прозрачность может быть достигнута путем подавления потерь на поглощение металла тонкими пленками Ag. Тем не менее, большая шероховатость поверхности является неизбежной проблемой для сверхтонких (<20 нм) пленок Ag, нанесенных физическим осаждением из паровой фазы (испарением или напылением), из-за присущего атому Ag трехмерного (3D) режима роста Фольмера-Вебера ⁴⁰ . Например, среднеквадратичная шероховатость (RMS) напыленной пленки Ag толщиной 15 нм может достигать 6 нм9.0093 41 . Такая проблема повлияет на проводимость пленки и вызовет дополнительные потери на рассеяние, что ухудшит как электрические, так и оптические характеристики электродов DMD.

Недавно мы продемонстрировали новый подход к получению ультратонкой (до 6 нм) и сверхгладкой (среднеквадратическая шероховатость < 1 нм) пленки Ag путем легирования металлического элемента (например, алюминия, меди, титана или хрома) во время Отложение серебра (как показано на дополнительном рисунке 4) ^2,5,29,42 . В этой работе мы выбрали серебро, легированное медью, в качестве металлического слоя, так как эта пленка обеспечивает наименьшие оптические потери среди различных легированных пленок серебра 9.0093 5 . Скорости осаждения Cu и Ag были выбраны равными 0,19 и 11,09 Å с ^–1 соответственно, что соответствует концентрации атомов Cu ~2%. Добавленные атомы Cu эффективно подавляют образование трехмерных островков атомов Ag во время осаждения пленки и способствуют раннему формированию ультратонких (<10 nm) пленок Ag. Изображение, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), показывающее детали пленки Ag толщиной 6,5 нм, легированной медью, нанесенной на подложку из плавленого кварца, показано на рис. 3a. Измеренная среднеквадратичная шероховатость пленки составляет ~0,47 нм, что более чем в 10 раз ниже, чем у чистого Ag при аналогичной толщине, о которой сообщалось в предыдущих работах ^2,5,41 . Трехмерное изображение АСМ-скана также представлено на дополнительном рисунке 5, чтобы показать морфологию поверхности и шероховатость ультратонкой пленки Ag, легированной медью.

Рис. 3: Характеристики тонкой пленки Ag, легированной медью.
a Атомно-силовая микроскопия (АСМ) характеристик тонкой пленки Ag, легированной медью. Масштабная линейка составляет 100 нм. b Измеренные значения относительной диэлектрической проницаемости ( ε = ε ₁ + i ε ₂ ) в зависимости от длины волны в свободном пространстве Ag, легированного Cu, и чистого Ag. Заштрихованная область относится к видимому диапазону (400–700 нм), в котором оптимизирован наш DMD-электрод.
Полноразмерное изображение
В качестве прямого представления свойства поглощения света пленки воображаемая часть ( ε ₂) измеренной проницаемости ( ε = ε ₁+I ε ₂ = ( n + i κ ) ² ) серебра, легированного медью, толщиной 6,5 нм (рис. 700 нм), что указывает на низкие оптические потери ультратонкой пленки Ag, легированной медью. Здесь для калибровки методом распыления была нанесена пленка чистого серебра толщиной 20 нм, а показатели преломления как пленок серебра, легированного медью, так и пленок чистого серебра были охарактеризованы с использованием спектроскопической эллипсометрии. Кроме того, поверхностное сопротивление этой тонкой пленки Ag, легированной медью, было измерено и составило ~18,6 Ом кв.0093 -1 , демонстрирующий высокую проводимость ультратонкой пленки Ag, легированной медью.
Затем изготавливается прозрачный электрод на основе DMD с использованием этого серебра, легированного медью, толщиной 6,5 нм. Здесь в качестве подложки используется ПЭТ-пленка толщиной ~ 50 мкм, обладающая отличной механической гибкостью. Оксид цинка (ZnO) выбран в качестве диэлектрика 2 из-за его высокого показателя преломления ( n ~ 2,0) и незначительных оптических потерь в видимом диапазоне (ZnO является материалом с самым высоким показателем преломления, достижимым в нашей группе). Показатели преломления ПЭТФ, ZnO и серебра, легированного медью, во всем видимом диапазоне длин волн представлены на дополнительном рисунке 6. Толщина ( d ₄ ) диэлектрика 2 рассчитывается как ~ 24 нм с помощью уравнения. (9) с учетом n ₄ ~ 2,05 и – ₃ ~ 0,19 + 3,39i на длине волны 550 нм. Как показано на рис. 4а, интересная компенсация между левой ( ψ ₃₄) и правой (4 πn ₄ d ₄ / λ ) сторонами уравнения. (9) охват 400–700 нм также эффективно проверяется в этом случае. Таким образом, 24 нм ZnO является оптимальным выбором не только для одной длины волны (550 нм), но и для всего видимого диапазона. На последнем этапе показатель преломления и толщина верхнего диэлектрика (диэлектрик 1) изменяются от 1,3 до 2,6 и от 1 до 100 нм с шагом 0,05 и 1 нм соответственно, чтобы найти оптимальное сочетание для самый высокий усредненный абсолютный коэффициент пропускания в диапазоне длин волн 400–700 нм. На рис. 4b показано, что N ₂ = 1,65 и D ₂ = 56 нм для оптимального условия, и этот N ₂ близко к показателю преломления AL ₂ O ₃. Применив измеренный показатель преломления Al ₂ O ₃ (дополнительный рисунок 6), d ₂ был повторно оптимизирован и по-прежнему равен 56 нм.
Рис. 4: Экспериментальная демонстрация разработанного электрода DMD.
a Расчетные значения левого и правого членов в уравнении. (9) при использовании ZnO 24 нм и Ag, легированного медью 6,5 нм, в качестве диэлектрика 2 и металлического слоя соответственно в структуре ДМД. Это показывает уравнение. (9) хорошо выполняется во всем видимом диапазоне. b Усредненный абсолютный коэффициент пропускания в видимом диапазоне (%) электрода DMD в зависимости от показателя преломления и толщины верхнего диэлектрика (диэлектрик 1), когда диэлектрик 2 и металлический слой выбраны из 24 нм ZnO и 6,5 нм, легированного медью Ag , соответственно. c Рассчитанный (красная сплошная кривая) и измеренный (синяя пунктирная кривая) абсолютный коэффициент пропускания в диапазоне от 400 до 700 нм разработанного прозрачного электрода DMD, демонстрирующий большую согласованность друг с другом. Репрезентативный измеренный спектр со средним коэффициентом пропускания ~88,4% взят из результатов измерений 15 образцов. Для сравнения представлен один репрезентативный спектр пропускания голой ПЭТ-подложки со средним коэффициентом пропускания ~88,1%, чтобы показать, как улучшаются оптические характеристики оптимизированного электрода DMD. На вставке представлена конфигурация разработанного DMD-электрода, т. е. подложка из ПЭТФ/24 нм ZnO/6,5 нм Cu, легированная Ag/56 нм Al ₂ О ₃ . d Фотография изготовленного гибкого электрода, показывающая высокую прозрачность и нейтральный внешний вид.
Изображение в натуральную величину
Как показано на вставке к рис. 4c, окончательная конфигурация прозрачного электрода DMD определяется как ПЭТ-подложка/24 нм ZnO/6,5 нм Cu, легированная Ag/56 нм Al ₂ O ₃ . Измеренные и смоделированные оптические спектры разработанного электрода представлены на рис. 4c, демонстрируя большую согласованность друг с другом. Усредненные абсолютные коэффициенты пропускания в диапазоне 400–700 нм, рассчитанные по экспериментальным и теоретическим результатам, составляют ~(88,4 ± 0,1)% и ~88,4% соответственно. На рисунке 4c ясно видно, что коэффициент пропускания DMD-электрода выше, чем абсолютный коэффициент пропускания голой ПЭТ-подложки (~(88,1 ± 0,4) % от измерения) при оптическом коэффициенте пропускания от 416 до 607 нм, эффективно улучшенном двумя просветляющими диэлектриками. . Здесь приведенные выше погрешности представляют собой одно стандартное отклонение измеренных данных. Экспериментальные усредненные коэффициенты пропускания электрода ДМД и подложки из ПЭТ рассчитаны по результатам измерений 15 образцов. Подробные данные можно найти на дополнительных рисунках. 2 и 7. В отличие от всех результатов, представленных в предыдущих работах, относительный коэффициент пропускания предложенного нами электрода DMD превышает 100% ( T _r ~ 100,3 % на основе данных измерений), так как его оптические потери (~ 11,6 %), возникающие в результате отражения и поглощения стопки (= 100 %-пропускание), хорошо подавляются ниже ~ 11,9 % оптических потерь голая подложка из ПЭТ (дополнительный рисунок 2). Угловые характеристики электрода DMD дополнительно исследованы на дополнительном рисунке 8, который показывает, что высокий коэффициент пропускания> 75% сохраняется до угла падения 60 °. Фотография изготовленной гибкой DMD-структуры на подложке из ПЭТ представлена на рис. 4d, на которой четко видна высокая прозрачность.
Стоит отметить, что даже более высокий коэффициент пропускания может быть достигнут при использовании нижнего диэлектрика с более высоким показателем преломления, чем у ZnO, например, TiO ₂ (чей показатель преломления составляет около 2,6 в видимом диапазоне ^27,43,44). В этом случае толщина высокоиндексного слоя TiO ₂ определяется как d ₄ = 22 нм по формуле (9). Показатель преломления и толщина диэлектрика 1 оптимизированы как n ₂ = 1,6 и d ₂ = 72 нм соответственно методом развертки n ₂ и d ₂ в широком диапазоне Оптимальная структура «подложка ПЭТФ/22 нм TiO ₂ /6,5 нм, легированное медью Ag/72 нм диэлектрик 1» дает усредненный абсолютный коэффициент пропускания 89,6% в диапазоне 400–700 нм, что соответствует относительному коэффициенту пропускания ~101,8. %, как показано на дополнительном рисунке 9.
Наконец, мы обсудим функциональность разработанного нами электрода DMD и других вариантов материалов в зависимости от предполагаемых применений. Во-первых, использование изолирующего Al ₂ O ₃ сделает предлагаемую структуру DMD отличным кандидатом на роль прозрачного теплового зеркала ²⁸ , которое можно использовать для размораживания или удаления льда с окон. Во-вторых, для использования DMD-структуры в качестве электрода в оптоэлектронных устройствах слой Al ₂ O ₃ можно заменить другими диэлектрическими материалами с аналогичным показателем преломления, которые также могут функционировать как эффективный слой для переноса электронов/дырок. Возможные кандидаты включают золь-гель пленки ZnO ¹ , которые обычно используются в качестве слоев для переноса электронов в солнечных элементах и органических светодиодах (OLED). Из-за пористой структуры показатель преломления намного ниже, чем у плотной пленки ZnO, полученной методами вакуумного напыления, и очень близок к идеальному показателю преломления ( n ₂ = 1,65), требуемому в нашей конструкции (дополнительное Рис. 10). Примечательно, что предлагаемые нами принципы проектирования не ограничиваются рассмотрением окружающей среды как воздуха. В дополнительной информации мы показываем, что они также применимы при разработке электрода DMD, используемого в солнечном элементе, в качестве примера оптоэлектронных устройств (см. Дополнительный рисунок 11 для подробнее). В-третьих, диэлектрические слои (ZnO и Al ₂ O ₃ ) также играют решающую роль в защите ультратонкой металлической пленки от разрушения. Как показано на дополнительном рисунке 12, электрод DMD на подложке из ПЭТ выдержал ускоренное испытание при высокой температуре и влажности (85 ° C, относительная влажность 85%), показав изменение сопротивления листа на ~ 12,6% после 120-часового испытания. в то время как поверхностное сопротивление ультратонкого серебра, легированного медью, без какой-либо защиты быстро увеличивается до бесконечности при тех же условиях испытаний через 8 часов.
Тонкопленочные электроды Micrux ED-IDE InterDigitated
Тонкопленочный электрод с высоким разрешением и точностью
Две полоски микроэлектродной матрицы с индивидуальной адресацией
Платиновые или золотые электроды
Опорный материал для стекла
Идеально подходит для измерения импеданса, емкости, проводимости и измерения топливных элементов
Обычно компания PalmSens отвечает на ваш запрос в течение одного рабочего дня.
Описание

Этот тонкопленочный датчик имеет два встречно-штыревых электрода.
Тонкопленочные технологии позволяют изготавливать микроэлектроды (<25 мкм) с высоким разрешением и точностью. Встречноштыревые электроды (IDE) представляют собой подходящий инструмент, особенно полезный для измерения импеданса, емкости и проводимости, а также для топливных элементов. Самый простой IDE состоит из двух индивидуально адресуемых полос микроэлектродных решеток с встречно-штыревым подходом. Микроэлектроды доступны в различных размерах и материалах.
Материал: платина или золото на выбор. Слой платины или золота имеет толщину 150 нм на титане толщиной 50 нм. Ячейка имеет диаметр 3,5 мм.
Доступны электроды трех разных размеров:
90 пар электродов шириной 10 мкм. Зазор между электродами 10 мкм.
120 пар электродов шириной 10 мкм. Зазор между электродами 5 мкм.
180 пар электродов шириной 5 мкм.