Déterminations des contaminants traces et ultra-traces dans les matériaux avancés à l'aide d'ETV – ICP – OES

INTRODUCTION

Les technologies de pointe ont connu une demande en forte croissance pour le développement et l'utilisation de méthodes analytiques puissantes en ce qui concerne les sensibilités élevées, la précision et le temps d'analyse pour caractériser les traces et le niveau ultra-trace d'impuretés sur différentes propriétés spécifiques des matériaux. Ici, nous introduisons la vaporisation électrothermique (ETV) couplée à la spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) en tant que technique d'échantillonnage solide exceptionnellement sensible pour les vérifications de pureté des matériaux haute performance à base de carbone, de silicium et de carbure de silicium.

Ces matériaux ont de nombreuses applications technologiquement innovantes et une importance technique en raison de leurs propriétés exceptionnelles utiles pour les batteries lithium-ion, les piles à combustible, l'optoélectronique et la microélectronique, la purification de l'eau, la fibre optique, la spintronique, les réfractaires, les véhicules électriques, etc. [1-2 ]. En fonction de la pureté des matériaux, la portée future d'un nouveau marché peut également être identifiée. Ainsi, le contenu des éléments traces et ultra-traces et d'autres paramètres chimiques sont d'une importance capitale. Les techniques analytiques traditionnelles pour l'évaluation de la pureté des matériaux à haute performance prennent beaucoup de temps et sont souvent fastidieuses, en particulier pour la décomposition du SiC par des procédés chimiques humides.

Dans cette étude, nous avons démontré que ETV-ICP-OES est applicable pour déterminer même des analytes à faible volatilité, en particulier les éléments de formation de carbure tels que Cr, Ti, V et Zr lorsque des réactifs d'halogénation sont utilisés pour former des halogénures plus volatils du réfractaire éléments. L'ensemble du processus ETV-ICP-OES est présenté dans la figure 1. Diverses stratégies d'étalonnage traçables, généralement des matériaux de référence certifiés (CRM) et des solutions étalons aqueuses, peuvent être utilisées pour les analyses chimiques quantitatives.

Figure 1. Une illustration du système ETV-ICP-OES.

MODE OPÉRATOIRE

Les conditions opérationnelles de l'ETV utilisées étaient une température de vaporisation de 1700 ° C pour tous les échantillons (tableau 1). Différents programmes de température peuvent être utilisés pour séparer les éléments dans le temps, ce qui permet de minimiser les interférences spectrales potentielles. Les échantillons solides ou liquides (<1 à 50 mg pour les solides; jusqu'à 50 μL pour les liquides) sont placés dans un bateau en graphite de haute pureté enduit de pyrolyse, qui est chauffé de manière résistive à l'aide d'un cycle de chauffage programmable électroniquement. Les bateaux sont capables d'atteindre des températures allant jusqu'à 3000 ° C dans l'unité ETV. L'argon avec une pureté de 99.996% a été utilisé comme protection, vecteur et gaz de dérivation sur le dispositif ETV. Les analytes sont vaporisés en présence d'un gaz modificateur halogéné, UN1028 R12 (CCl2F2), et transportés directement dans l'ICP (PerkinElmer, Avio 500) où ils sont excités et détectés par un spectromètre d'émission optique. Des signaux transitoires avec des intensités variables sont générés dans cette méthode car ETV n'offre pas de taux d'introduction d'échantillons constant et la quantité d'échantillon introduite dans le plasma varie avec le temps. Les signaux transitoires typiques de certains éléments sont affichés sur la figure 2.

Figure 2. Profils d'émission temporelle d'Al, B, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Ni, Ti, V et Zr dans le graphite (BAM-S009) et le carbure de silicium (BAM-S003).

ÉTALONNAGE

Des matériaux de référence certifiés, du graphite (BAM-S009) et du carbure de silicium (BAM-S003), ont été utilisés pour l'étalonnage. Les courbes d'étalonnage ont été obtenues sur la base des trois masses différentes de poudres de graphite et de carbure de silicium, y compris un signal vierge, comme le montrent les figures 3 et 4. L'étalonnage montre une tendance linéaire et les coefficients de corrélation variaient de 0.951-0.999 pour tous les analytes. La précision des mesures du signal d'émission (aire de pic) a été calculée pour vingt et treize analytes de cinq répétitions (n ​​= 5) dans le graphite et le carbure de silicium, respectivement, qui variaient de 2.6% - 35.3% RSD pour la plupart des analytes.

Figure 3. Courbes d'étalonnage et% SD de trois masses différentes de graphite (BAM-S009) (10, 20 et 30 mg).

Figure 4. Courbes d'étalonnage et% SD de trois masses différentes de carbure de silicium (BAM-S003) (2, 4 et 6 mg).

ÉTUDES DE CAS

Pour la quantification des éléments étudiés dans les échantillons de poudre de graphite et de carbure de silicium de qualité nucléaire, ~ 5 mg de chaque échantillon ont été pesés directement dans le bateau en graphite, transférés à ETV puis vaporisés en appliquant le programme de chauffage indiqué dans le tableau 1 sous gaz R12 à 2.0 mL min − 1. Le R12 en tant que gaz de réaction (CCl2F2) fait partie des composés halogénés les plus couramment utilisés. Ce gaz se décompose à une température autour de 700 ° C, produisant des radicaux CF2, CF3Cl, CF4 et C2F4, qui favorisent la conversion de l'analyte en halogénures volatils et augmentent enfin le transport de l'analyte en raison de la formation de grappes [3]. Les figures 5 et 6 montrent la concentration d'éléments plus volatils dans le graphite de qualité nucléaire (NBG-18) et les poudres de carbure de silicium quantifiées par ETV-ICP-OES. Les résultats par ETV-ICP-OES sont comparés à ceux obtenus par spectrométrie de masse à décharge luminescente (GDMS) pour valider la méthode ETV-ICP-OES. Les résultats dérivés se sont avérés être en bon accord avec les valeurs GDMS, indiquant l'applicabilité de cette nouvelle méthode pour l'analyse des constituants traces et ultra-traces.

Figure 5. Concentration des éléments les plus volatils dans la poudre de graphite (NBG-18) quantifiée par ETV-ICP-OES et GDMS.

Figure 6. Concentration des éléments les plus volatils dans la poudre de carbure de silicium quantifiée par ETV-ICP-OES et GDMS.

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