NL8801439A

NL8801439A - Werkwijze voor het verbinden van een metaaloxide met een metaal.

Info

Publication number: NL8801439A
Application number: NL8801439A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1988-06-06
Filing date: 1988-06-06
Publication date: 1990-01-02
Also published as: DE68910588D1; DE68910588T2; EP0345870A1; JPH0230751A; EP0345870B1; US5018659A

Description

N.V. PHILIPS' GLOEILAMPEN FABRIEKEN te EINDHOVEN

Werkwijze voor het verbinden van een metaaloxide met een metaal.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verbinden van een oppervlak van een metaaloxide of een metaaloxidische verbinding met een kontaktmetaal waarbij het kontaktmetaal in kontakt wordt gebracht met het oppervlak van het metaaloxide of de metaaloxidische verbinding.

Onder een metaaloxidische verbinding wordt hier verstaan een oxidische verbinding van tenminste twee metallische elementen, zoals bijvoorbeeld nikkelferriet NiFe204· Ferrieten zijn belangrijke keramische verbindingen vanwege hun magnetische eigenschappen. Ferrieten vinden toepassing onder andere in magneetkoppen ten behoeve van magnetische recording. Vaak wordt hierbij een dun niet-magnetisch metaallaagje aangebracht tussen de beide magneetkophelften, welk metaallaagje dient als zogenaamde spacer.

In het Amerikaanse octrooischrift US 3,793,705 is een dergelijke werkwijze beschreven, waarbij titaan of chroom wordt gesputterd op een ferriet. Vervolgens wordt de chroomlaag voorzien van een zilver bevattende soldeer]egering. Een niet-magnetisch metaal wordt hiermee in kontakt gebracht en het geheel wordt vervolgens in een inerte atmosfeer uitgestookt, waarbij de verbinding tussen metaal en ferriet tot stand komt via de tussenlaag van chroom en de soldeerlegering.

Een bezwaar van de bekende werkwijze is dat metalen als titaan en chroom met de zuurstof in het sputtergas of restgas reageren in plaats van met de zuurstof van de metaaloxidische verbinding en daardoor onvoldoende aan het metaaloxide hechten. Bovendien is een soldeerlegering nodig voor de hechting aan een tweede niet-magnetisch metaal. De soldeerlegering kan ongewenste interacties aangaan met de hechtlaag en/of de metaallaag.

De uitvinding beoogt een werkwijze te verschaffen zoals in de aanhef is beschreven welke bovengenoemde bezwaren opheft.

Aan deze opgave wordt volgens de uitvinding voldaan door een werkwijze zoals in de aanhef is beschreven, welke werkwijze verder is gekenmerkt doordat vervolgens het metallische element van het metaaloxide of tenminste één metallisch element van de metaaloxidische verbinding aan het oppervlak wordt gereduceerd in het overeenkomstige metaal, met behulp van een reducerend gasmengsel, waarbij dit metaal en het kontaktmetaal mengen en het kontaktmetaal bij de procesomstandigheden inert is ten opzichte van zuurstof.

Neemt men als voorbeeld de hechting van een inert metaal Me aan NiFe^ (nikkelferriet). Het metaal Meis van te voren op het oppervlak van het ferriet aangebracht, bijvoorbeeld door sputteren of opdampen.

Het reducerend gasmengsel bevat gas in de gereduceerde vorm Gre(j en gas in de geoxideerde vorm GQX.

De optredende reaktie kan dan als volgt worden weergegeven:

NiFe2°4 + Gred + Me —> Fe^ + GQx + [Ni]Me (I).

Hierbij stelt [Ni]Me een vaste oplossing voor van Ni in het inerte kontaktmetaal Me.

In dit geval wordt alleen NiO (minst stabiele oxide) uit NiFe-^ gereduceerd tot Ni:

NiO —> Ni + 1/2 02 - Qred.

Qred is hierbij de benodigde reductie-energie. De drijvende kracht van deze reaktie wordt gevormd door de oxidatiewarmte Qox van Gred tot GQX en de oploswarmte QL van Ni in het metaal Me:

Gred + 1/2 02 —» Gox + Qox

Ni + Me —► [Ni]Me + Ql.

Het reducerend vermogen (reductie-potentiaal) van het reducerend gasmengsel wordt bepaald door de verhouding P(Gred) : p(Gox). Hierbij stelt p de partiële druk van het gas G voor. In combinatie met de oploswarmte dient de reductiepotentiaal zo ingesteld te worden dat alleen reductie van het metaaloxide aan het grensvlak Me-metaaloxide plaatsvindt. Een te sterk reducerend vermogen van het gasmengsel zou reductie van het gehele oxide ten gevolge hebben waardoor waardevolle eigenschappen, zoals magnetische eigenschappen, zouden verdwijnen. Qred, Qox, QL en oplosbaarheden van metalen kunnen in handboeken worden gevonden. Door berekening van de vrije energie LG van de reaktie (I) kan de verhouding p (Gox) : p (Gred) worden bepaald.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat het reducerend gasmengsel waterstof en waterdamp omvat. In het voorgaande staat Gre(j voor waterstof en GQX voor waterdamp. Ook andere reducerende gasmengsels kunnen worden toegepast, zoals CO en C02.

Een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat gereduceerd wordt bij een temperatuur tussen 800 en 1100 K en de verhouding van de partiële druk van waterstof en waterdamp kleiner is dan 10 . Onder deze omstandigheden wordt in 5 minuten een goed hechtende verbinding tussen het inerte metaal en het oxidische oppervlak tot stand gebracht, waarbij de reductie van het metaaloxide alleen aan het oppervlak plaatsvindt.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding· is daardoor gekenmerkt dat het kontaktmetaal gekozen wordt uit de groep gevormd door platina, iridium en rhenium. Deze metalen zijn onder de procesomstandigheden inert ten opzichte van zuurstof en zijn bovendien niet-magnetisch, hetgeen ze geschikt maakt als spacerlaag bij magneetkoppen. Ook andere niet-magnetische metalen zoals Mo en W kunnen worden toegepast.

Een geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze is volgens de uitvinding daardoor gekenmerkt dat het kontaktmetaal door sputteren of opdampen wordt aangebracht. Bij het gebruik van bovengenoemde inerte metalen treedt geen oxidatie op van het metaal door het sputtergas of restgas, wat bij chroom en titaan wel het geval is.

Een zeer geschikte uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat de metaaloxidische verbinding een ferriet is. Ferrieten zijn ferromagnetische metaaloxiden met de algemene formule MFe204. Hierbij is M een tweewaardig metaal. Het metaal M kan voor een deel vervangen zijn door een ander tweewaardig metaal.

Een uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is daardoor gekenmerkt dat het ferriet nikkelferriet, nikkel-zinkferriet of magaan-zinkferriet is. Nikkel-zinkferriet heeft de formule NixZnf_xFe204 en mangaan-zinkferriet heeft de formule MnxZn.j_xFe204. Hierbij stelt de x de molfractie Ni respectievelijk Mn in het ferriet voor.

De uitvinding wordt toegelicht aan de hand van de volgende uitvoeringsvoorbeelden:

Uitvoerinasvoorbeelden:

Blokken polykristallijn nikkel-zinkferriet NÏq ^ZnQ gFe204 met afmetingen van 10 x 6 x 2.5 mm worden aan één zijde gepolijst (vlak 10x6 mm). Deze gepolijste vlakken worden gereinigd door middel van een Ar+-ionen bombardement met een energie . . 7 van 50 eV en een stroomdichtheid van 10 mA/cm . Op deze vlakken wordt vervolgens platina gesputterd met een laagdikte van 200 - 300 nm. Het gasmengsel waarin de verkregen preparaten worden verhit, wordt bereid uit kokend water bij atmosferische druk waaraan een mengsel bestaande uit stiktstof en 7% waterstof wordt toegevoegd. Het verkregen gasmengsel wordt via een leiding, waarvan de wandtemperatuur boven 100°C wordt gehouden, geleid naar een kwartsglazen klok (bel-jar). De preparaten bevinden zich in een metalen doos in de klok en worden bij een totaaldruk van 1 bar verhit door middel van een RF-veld. De preparaten worden verhit bij temperaturen van 800 respectievelijk 1100 K gedurende 5 minuten. De verhouding PH2 : PH20 wordt ingesteld op respectievelijk 10“”*, 10“2 en 10“3'3. Met behulp van AES- en SIMS-analyse worden concentratieprofielen van de metallische elementen gemeten in een richting loodrecht op het grensvlak platina-ferriet.

Voor het meten van de sterkte van de verbinding van platina aan ferriët na de reductiebehandeling worden de blokken aan de platina-zijde voorzien van twee evenwijdige gouddraden met een diameter van 200 pm. Op deze gouddraden wordt een identiek blok geplaatst met de platina-zijde gericht naar de gouddraden. Dit samenstel wordt met een kracht van 300 N op elkaar gedrukt en aldus gedurende 10 minuten bij 500°C in lucht verhit. Het hechtoppervlak bedraagt dan 4,8 mm2. Met een trekbank wordt de breekkracht gemeten. De resultaten staan in de volgende tabel.

Tabel

Uit de tabel is te zien dat het reducerend vermogen van het gasmengsel gebruikt voor de preparaten 1 en 2 te groot is. Onder deze omstandigheden vindt reductie van de bulk van het ferriet plaats.

De drie oxiden van zink, nikkel en ijzer worden gereduceerd tot de overeenkomstige metalen welke vervolgens oplossen in platina. Bij preparaten 3 en 4 vindt alleen reductie van zinkoxide tot zink plaats, waarbij het gevormde zink oplost in platina.

Van een preparaat behandeld zoals die volgens nrs 3 en 4 wordt de platina-laag na de reductiebehandeling afgepolijst tot aan het oorspronkelijke platina-ferriet grensvlak. Met behulp van meting van het zogenaamde Kerr-effekt wordt vastgesteld dat de magneto-optische eigenschappen van het ferriet door de reductiebehandèling niet zijn veranderd. Bij deze meting wordt gepolariseerd monochromatisch licht gereflecteerd aan het te meten oppervlak en wordt de draaiing van het polarisatievlak bepaald. Het Kerr-effekt is wel duidelijk meetbaar aan preparaten behandeld zoals die volgens nrs. 1 en 2.

Bij het bepalen van de breekkracht blijkt dat in alle gevallen de breuk in het ferriet plaatsvindt.

Claims

1. Werkwijze voor het verbinden van een oppervlak van een metaaloxide of metaaloxidische verbinding met een kontaktmetaal waarbij het kontaktmetaal in kontakt wordt gebracht met het oppervlak van het metaaloxide of de metaaloxidische verbinding, met het kenmerk, dat vervolgens het metallische element van het metaaloxide of tenminste één metallisch element van de metaaloxidische verbinding aan het oppervlak wordt gereduceerd met behulp van een reducerend gasmengsel in het overeenkomstige metaal, waarbij dit metaal en het kontaktmetaal mengen en het kontaktmetaal bij de procesomstandigheden inert is ten opzichte van zuurstof.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het reducerend gasmengsel waterstof en waterdamp omvat.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat gereduceerd wordt bij een temperatuur tussen 800 en 1100 K en de verhouding van de partiële druk van waterstof en waterdamp kleiner is dan 1O-2.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het kontaktmetaal gekozen wordt uit de groep gevormd door platina, iridium en rhenium.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3 of 4, met het kenmerk, dat het kontaktmetaal door sputteren of opdampen wordt aangebracht.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, 2, 3, 4 of 5, met het kenmerk, dat de metaaloxidische verbinding een ferriet is.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het ferriet nikkelferriet, nikkel-zinkferriet of mangaan-zinkferriet is.