RU2808456C1 - Solid state superionic electrolyte for silver ion emitter - Google Patents
Solid state superionic electrolyte for silver ion emitter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2808456C1 RU2808456C1 RU2023112786A RU2023112786A RU2808456C1 RU 2808456 C1 RU2808456 C1 RU 2808456C1 RU 2023112786 A RU2023112786 A RU 2023112786A RU 2023112786 A RU2023112786 A RU 2023112786A RU 2808456 C1 RU2808456 C1 RU 2808456C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrolyte
- silver
- ion
- superionic
- water
- Prior art date
Links
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 title claims abstract description 30
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 title 1
- 229910005839 GeS 2 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 31
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 abstract description 25
- 239000004332 silver Substances 0.000 abstract description 25
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 15
- -1 silver ions Chemical class 0.000 abstract description 14
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 5
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 abstract description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 abstract description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 2
- UQMCSSLUTFUDSN-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenegermane Chemical compound [GeH2]=S UQMCSSLUTFUDSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 8
- 229910021612 Silver iodide Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 3
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 3
- 241001226615 Asphodelus albus Species 0.000 description 2
- 229910002781 RbAg4I5 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical compound [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- VDNSGQQAZRMTCI-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenegermanium Chemical compound [Ge]=S VDNSGQQAZRMTCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- JKFYKCYQEWQPTM-UHFFFAOYSA-N 2-azaniumyl-2-(4-fluorophenyl)acetate Chemical compound OC(=O)C(N)C1=CC=C(F)C=C1 JKFYKCYQEWQPTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002782 Rb2AgI3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052946 acanthite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 1
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229940045105 silver iodide Drugs 0.000 description 1
- 229940056910 silver sulfide Drugs 0.000 description 1
- XUARKZBEFFVFRG-UHFFFAOYSA-N silver sulfide Chemical compound [S-2].[Ag+].[Ag+] XUARKZBEFFVFRG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- YPMOSINXXHVZIL-UHFFFAOYSA-N sulfanylideneantimony Chemical compound [Sb]=S YPMOSINXXHVZIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002226 superionic conductor Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения направленных пучков ионов серебра и может быть использовано в ионно-лучевых технологиях для обработки материалов и в аэрокосмической технике для создания миниатюрных двигательных систем.The invention relates to the field of producing directed beams of silver ions and can be used in ion beam technologies for processing materials and in aerospace engineering to create miniature propulsion systems.
Разработки простых и компактных ионных эмиттеров с различными сортами испускаемых ионов сейчас активно ведутся в мире. Такие источники могут быть применены как для модификации материалов, так и в качестве элемента двигательной ионной установки для появившихся относительно недавно аппаратов формата кубсат. Одним из наиболее перспективных типов ионных эмиттеров являются полностью твердотельные ионные эмиттеры, где в качестве источника ионов используют суперионный твердотельный электролит. Твердотельный серебро-ионный эмиттер состоит из серебряного стержня с заостренным концом, на поверхность которого нанесена пленка суперионного электролита с мобильными ионами серебра, и электрода-экстрактора. При подаче определенного потенциала на эмиттерный узел осуществляется полевая эмиссия ионов серебра с поверхности твердого электролита.The development of simple and compact ion emitters with various types of emitted ions is now actively underway in the world. Such sources can be used both for modifying materials and as an element of an ion propulsion system for cubesat devices that have appeared relatively recently. One of the most promising types of ion emitters are all-solid-state ion emitters, where a superionic solid-state electrolyte is used as an ion source. A solid-state silver-ion emitter consists of a silver rod with a pointed end, on the surface of which a film of superionic electrolyte with mobile silver ions is applied, and an extractor electrode. When a certain potential is applied to the emitter unit, field emission of silver ions occurs from the surface of the solid electrolyte.
Известен электроспрейный ионный эмиттер (EP №3604805 A1 «Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft»), в котором в качестве источника ионов используют жидкий металл - цезий, помещенный в игольчатый эмиттер. Изобретение относится к области получения ионных двигателей для управления вектором тяги космического аппарата. Под действием электрического поля происходит ионная эмиссия, что приводит к испусканию ионов цезия. Недостатком такого технического решения является окисление цезия при взаимодействии с кислородом воздуха.An electrospray ion emitter is known (EP No. 3604805 A1 “Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft”), in which a liquid metal, cesium, placed in a needle-shaped emitter is used as a source of ions. The invention relates to the field of producing ion engines for controlling the thrust vector of a spacecraft. Under the influence of an electric field, ion emission occurs, which leads to the emission of cesium ions. The disadvantage of this technical solution is the oxidation of cesium when interacting with atmospheric oxygen.
Известен еще один ионный источник (Escher, C. Vacuum ion emission from solid electrolytes: An alternative source for focused ion beams // Applied physics letters. - 2006. - Vol. 89, No. 5, P. 3), состоящий из серебряного стержня с заостренным концом, на поверхность которого нанесен аморфный электролит AgI-AgPO3 с подвижными ионами серебра. Для контакта электролита со стержнем использовали серебряную пасту. Недостатком данного аналога является разложение в атмосферной влаге и наличие серебряной пасты, служащей источником загрязнений электролита посторонними примесями.Another ion source is known (Escher, C. Vacuum ion emission from solid electrolytes: An alternative source for focused ion beams // Applied physics letters. - 2006. - Vol. 89, No. 5, P. 3), consisting of silver a rod with a pointed end, on the surface of which is applied an amorphous electrolyte AgI-AgPO 3 with mobile silver ions. Silver paste was used to contact the electrolyte with the rod. The disadvantage of this analogue is decomposition in atmospheric moisture and the presence of silver paste, which serves as a source of contamination of the electrolyte with foreign impurities.
Прототипом настоящего изобретения является твердотельный ионный эмиттер (RU № 1 656 83 U1 «Точечный твердотельный источник ионов серебра»). Полезная модель относится к области получения направленных потоков положительно заряженных ионов серебра и может быть использована в аэрокосмической технике для создания миниатюрных электростатических ракетных двигателей, в ускорительной технике и в ионно-лучевых приборах для технологической обработки материалов и микрозондовых исследований. Ионный эмиттер состоит из серебряного резервуара, представляющего собой цилиндр с остроконечным основанием, на поверхность которого нанесена пленка кристаллического суперионного электролита RbAg4I5, при этом подвижными ионами такой системы являются катионы серебра, бесконтактного омического нагревателя, выполненного в виде керамического полого цилиндра с нагревательными элементами, расположенными на внешней поверхности цилиндра, внутри которого размещен точечный твердотельный источник ионов серебра, нагреваемый до температуры ниже температуры плавления используемого электролита. Ионная эмиссия подвижных ионов происходит при температуре 195°С. Недостатки данного технического решения: разложение кристаллического электролита в атмосферной влаге, разложение при низких температурах [1] и деградация материала при температурах ниже 27°C с образованием Rb2AgI3 и AgI [2].The prototype of the present invention is a solid-state ion emitter (RU No. 1 656 83 U1 “Point solid-state source of silver ions”). The utility model relates to the field of producing directed flows of positively charged silver ions and can be used in aerospace engineering to create miniature electrostatic rocket engines, in accelerator technology and in ion beam devices for the technological processing of materials and microprobe research. The ion emitter consists of a silver reservoir, which is a cylinder with a pointed base, on the surface of which a film of crystalline superionic electrolyte RbAg4I5 is applied, while the mobile ions of such a system are silver cations, a non-contact ohmic heater, made in the form of a ceramic hollow cylinder with heating elements located on the outer surface of the cylinder, inside of which a point solid-state source of silver ions is placed, heated to a temperature below the melting point of the electrolyte used. Ion emission of mobile ions occurs at a temperature of 195°C. The disadvantages of this technical solution are: decomposition of the crystalline electrolyte in atmospheric moisture, decomposition at low temperatures [1] and degradation of the material at temperatures below 27°C with the formation of Rb2AgI3 and AgI [2].
Технической проблемой, на которую направлено данное изобретение, является получение электролита для ионной эмиссии, который устойчив к низким температурам, химически стабилен в атмосферной влаге и не разлагается в воде и в ее парах любой насыщенности, плохо растворим в воде, источник ионов не окисляется при взаимодействии с кислородом воздуха, при его использовании не применяется серебряная паста, необходимая для контакта серебряного резервуара и суперионного электролита и служащая источником загрязнений электролита посторонними примесями.The technical problem to which this invention is aimed is to obtain an electrolyte for ion emission that is resistant to low temperatures, chemically stable in atmospheric moisture and does not decompose in water and its vapor of any saturation, is poorly soluble in water, the ion source does not oxidize upon interaction with atmospheric oxygen, when using it, silver paste is not used, which is necessary for contact between the silver reservoir and the superionic electrolyte and serves as a source of contamination of the electrolyte with foreign impurities.
Техническим решением указанной задачи является применение твердотельного суперионного электролита GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI, с мобильными ионами серебра для ионной эмиссии, который наносится в виде пленки на металлическое остроконечное основание из серебра, при этом сульфид германия стабилизирует стеклообразную систему и открывает дополнительные транспортные каналы для движения подвижных ионов, устойчивого к низким температурам и к атмосферной влаге.The technical solution to this problem is the use of solid-state superionic electrolyte GeS 2 -Sb 2 S 3 -Ag 2 S-AgI, with mobile silver ions for ion emission, which is deposited in the form of a film on a metal pointed silver base, while germanium sulfide stabilizes the glassy system and opens additional transport channels for the movement of mobile ions, resistant to low temperatures and atmospheric moisture.
Краткое описание фигур.Brief description of the figures.
Фигура 1: Рентгенограмма стеклообразного электролита GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI.Figure 1: X-ray diffraction pattern of glassy electrolyte GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI.
В качестве электролита в изобретении применен стеклообразный суперионный электролит GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI с мобильными ионами серебра для ионной эмиссии, который наносится в виде пленки на металлическое остроконечное основание из серебра, при этом сульфид германия стабилизирует стеклообразную систему и открывает дополнительные транспортные каналы для движения подвижных ионов, сульфид сурьмы является стеклообразователем, сульфид серебра дополнительно стабилизирует электролит, а за счет йодида серебра стеклообразная система является суперионной.The electrolyte used in the invention is a glassy superionic electrolyte GeS 2 -Sb 2 S 3 -Ag 2 S-AgI with mobile silver ions for ion emission, which is deposited in the form of a film on a metal pointed silver base, while germanium sulfide stabilizes the glassy system and opens additional transport channels for the movement of mobile ions, antimony sulfide is a glass former, silver sulfide additionally stabilizes the electrolyte, and due to silver iodide the glassy system is superionic.
Стеклообразный электролит синтезировали методом плавления в высокотемпературной трубчатой печи, закалку осуществляли в охлажденной воде. Получение ионного эмиттера осуществляли в аргоновой атмосфере путем обмакивания заостренного серебряного стержня в расплав стекла с последующим вытягиванием.The glassy electrolyte was synthesized by melting in a high-temperature tubular furnace, and quenching was carried out in cooled water. The ion emitter was prepared in an argon atmosphere by dipping a pointed silver rod into molten glass and then drawing it out.
Применительно к настоящему изобретению был проведен эксперимент с целью доказательства устойчивости суперионного электролита к низким температурам и к атмосферной влаге. По результатам рентгенофазового анализа доказана устойчивость электролита к низким температурам. Таким образом, при использовании стекла GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI срок службы ионного источника существенно увеличивается.In relation to the present invention, an experiment was conducted to prove the stability of the superionic electrolyte to low temperatures and atmospheric moisture. Based on the results of X-ray phase analysis, the stability of the electrolyte to low temperatures was proven. Thus, when using GeS 2 -Sb 2 S 3 -Ag 2 S-AgI glass, the service life of the ion source increases significantly.
Пример 1:Example 1:
Для определения устойчивости электролита к низким температурам стекло GeS2-Sb2S3-Ag2S-AgI поместили в холодильную камеру при температуре -25°С, далее была получена рентгенограмма данного стекла (фиг. 1). Отсутствие острых пиков и кристаллических фаз на дифракционной картине подтверждает устойчивость вещества к низким температурам.To determine the stability of the electrolyte to low temperatures, GeS 2 -Sb 2 S 3 -Ag 2 S-AgI glass was placed in a refrigeration chamber at a temperature of -25°C, and then an X-ray diffraction pattern of this glass was obtained (Fig. 1). The absence of sharp peaks and crystalline phases in the diffraction pattern confirms the substance’s resistance to low temperatures.
Пример 2:Example 2:
Устойчивость к атмосферной влаге определили по значению растворимости стекла в воде. Для этого электролит помещали в дистиллированную воду 100 мл, предварительно измерив массу стекла. Спустя 3 дня образец сушили и определяли массу повторно. Повторные процедуры осуществляли 5 раз в течение 15 дней, в результате которых масса стекла не изменялась. Таким образом, стекло устойчиво к атмосферной влаге.Resistance to atmospheric moisture was determined by the solubility of glass in water. To do this, the electrolyte was placed in 100 ml of distilled water, having previously measured the mass of the glass. After 3 days, the sample was dried and the weight was determined again. Repeated procedures were carried out 5 times over 15 days, as a result of which the mass of the glass did not change. Thus, the glass is resistant to atmospheric moisture.
ЛитератураLiterature
[1] - Valverde, N. Thermodynamic Stabilization of the Solid Electrolyte RbAg4I5 // Journal of The Electrochemical Society. 1980. - Vol. 127, No. 11. P. 2425-2429.[1] - Valverde, N. Thermodynamic Stabilization of the Solid Electrolyte RbAg 4 I 5 // Journal of The Electrochemical Society. 1980. - Vol. 127, No. 11. P. 2425-2429.
[2] - Chandra, S. Stability and optical absorption of the super-ionic conductor RbAg4I5 // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1975. - Vol. 8, No. 5. P. 576-580.[2] - Chandra, S. Stability and optical absorption of the super-ionic conductor RbAg4I5 // Journal of Physics D: Applied Physics. - 1975. - Vol. 8, No. 5. P. 576-580.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2808456C1 true RU2808456C1 (en) | 2023-11-28 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU165683U1 (en) * | 2016-04-19 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | POINT SOLID SOURCE OF SILVER IONS |
| FR3039531A1 (en) * | 2015-07-28 | 2017-02-03 | Nexdot | |
| RU2618761C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Ion source for electrostatic rocket engine |
| EP3604805A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-05 | ENPULSION GmbH | Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft |
| EP3692186A1 (en) * | 2017-10-04 | 2020-08-12 | Nexdot | FAR-INFRARED, THz NANOCRYSTALS, HETEROSTRUCTURED MATERIAL WITH INTRABAND ABSORPTION FEATURE AND USES THEREOF |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3039531A1 (en) * | 2015-07-28 | 2017-02-03 | Nexdot | |
| RU165683U1 (en) * | 2016-04-19 | 2016-10-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | POINT SOLID SOURCE OF SILVER IONS |
| RU2618761C1 (en) * | 2016-05-23 | 2017-05-11 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" | Ion source for electrostatic rocket engine |
| EP3692186A1 (en) * | 2017-10-04 | 2020-08-12 | Nexdot | FAR-INFRARED, THz NANOCRYSTALS, HETEROSTRUCTURED MATERIAL WITH INTRABAND ABSORPTION FEATURE AND USES THEREOF |
| EP3604805A1 (en) * | 2018-08-02 | 2020-02-05 | ENPULSION GmbH | Ion thruster for thrust vectored propulsion of a spacecraft |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108140803B (en) | Method for coating a substrate using particles and device for carrying out said method | |
| RU2808456C1 (en) | Solid state superionic electrolyte for silver ion emitter | |
| US20110247942A1 (en) | Alkali-metal generator and absorber | |
| Wright | Space-charge limited currents in insulating materials | |
| Clampitt | Advances in molten metal field ion sources | |
| Pelletier et al. | Work function of sintered lanthanum hexaboride | |
| Muslih et al. | Preparation of zinc oxide (ZnO) thin film as transparent conductive oxide (TCO) from zinc complex compound on thin film solar cells: a study of O2 effect on annealing process | |
| JPH026191B2 (en) | ||
| Bellucci et al. | Thermionic emission measurement of sintered lanthanum hexaboride discs and modelling of their solar energy conversion performance | |
| Glascock Jr et al. | Fundamental optical absorption, electrical conductivity, and thermoelectric power of calcium oxide | |
| Post et al. | Key design and operation factors for high performance of C12A7: e-based cathodes | |
| RU165683U1 (en) | POINT SOLID SOURCE OF SILVER IONS | |
| RU181882U1 (en) | Solid electrolyte planar ion source | |
| JP6787545B2 (en) | Ion generator | |
| RU192377U1 (en) | Solid-state ionic metal nanoprinter | |
| Rut’kov et al. | The emission and electrophysical features of an yttria-coated iridium cathode | |
| CN1128403A (en) | Laser-evaporated thin-film scandium series cathode and its preparation method | |
| Yamaji et al. | Effect of Mn-doping on stability of Scandia stabilized zirconia electrolyte under dual atmosphere of solid oxide fuel cells | |
| Farziev et al. | Silver Ion Emission Using Chalcogenide Glass | |
| Rand et al. | Hollow cathode with electride insert | |
| CN113957394A (en) | P-type semiconductor film bismuth copper oxide and preparation method and application thereof | |
| AKHIRUDDIN et al. | Growth of ZnO Nanowires by Vapour Solid Mechanism | |
| Bezmelnitsyn et al. | New solid-state electrochemical source of pure fluorine | |
| Karabulin et al. | Electron-Stimulated Phase Transitions in Tin and Indium–Tin Nanowires Produced by Laser Ablation in Superfluid Helium | |
| Huang et al. | Field-emission properties of individual ZnO nanowires studied in situ by transmission electron microscopy |