Study ofsome gilded film/glass interfacesand ofone standard type of “liquid gold”
XVI  ICF TECHNICAL EXCHANGE CONFERENCE
 9th-12th October 2004
Karlovy Vary
Evelyne Darque-Ceretti, Doriane Hélary, Virginie Deram
  Ecole des Mines de Paris
Centre de Mise en Forme des Matériaux
UMR CNRS 7635
Sophia-Antipolis
France
XIV Technical Exchange Conference Waterford, Ireland
October 12 th – 14 th 2002
Annette Lukas/ Ceramic Colour Division Heraeus Germany
Composition of precious metal preparations
Introduction
Thin gilded films from organo-metallic solutions are used todecorate glass objects
Organo-metallic solution = “liquid gold
Objectives:
1.Analysis of interactions after firing
between gold and glass, (treated or no)
2. Characterization of another type of “liquid gold”
before and during firing
Part 1: Gilded film /glass
Specimen
Characterization methods
Surfaces observation
Interfacial reactions
Conclusions
Specimen
soda-lime glass
untreated
or
 treated with a Ti oxide film (~ 6 nm thick)
or a Sn oxide  film (~ 8 nm thick)
 - organometallic preparation with 12 % ofmetallic Au + small metal additions (Rh, Ag, V, Zr …)
- deposition on the substrate and firing in air at~ 600°C during 15 min
~ 0.1-0.2 µm thick
Substrates
Gold films
 
Characterisation methods - Why use them ?
Scanning Electron Microscope (SEM)
morphology (SE mode) and atomic contrast (BSEmode) of the specimen surfaces
Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)
Depth distribution of elements (C, Au, Ti, Si, …) withgreat sensitivity but problems due to charge effectsin the glass substrate
Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GDOES)with radio frequency
Depth distribution for all elements without chargeeffects
SEM surfaces observation
ä Non continuous golddistribution
 
ä Formation of an agglomeratedstructure
 
G5603224
G5603225
BSE mode
SE mode
ä Rough surface
 Ra ~ 0.4 µm
For all specimen surfaces :
 Sn treated glass
Firing temperature 600°C
Interfacial reactions
Glass substrate
Intermediate zone
Film ~ 0.2 µm
197 Au (*50)
12 C (*1000)
28 Si (*100)
107 Ag (*1000)
120 Sn (*1000)
Chargeeffects
SIMS  analysis :
In negative secondary mode
Sn treated glass
- Gold diffusion into the substrates
- Tin diffusion preferentially into the gilded film
- Contamination by hydrocarbons (C)
- Silicon diffusion to the surface
Interfacial reactions
Distribution of Au diffused into Sn or Ti
treated or untreated  glass at 600°C
Fitting by the second Fick’s law :
Au diffusion until 0.15 µm
Quite the same DAu for Ti or Sn pre-treated glassat 600 °C :
Au treated glass  2.4 10-14 cm2/s
Ti pre-treated
DAu untreated glass  4 10-13 cm2/s
Au diffusion until 0.75 µm
0
1
0,00
0,03
0,05
0,08
0,10
0,13
0,15
0,18
0,20
0,23
0,25
Distance from interlayer/glass interface (µm)
Normalised intensity
Ti,Sn
Gold diffuses faster into untreated glass
Intermediate oxide  layer = diffusion barrier
Au diffusion until 0.15 µm
 Ti treated glass
Glass substrate
Film
~ 0.2 µm
Intermediate
zone
- Migration of alkali constituents of the base glass in the film with
segregation at the extreme surface
- Gold diffusion into the substrates
-Titanium diffusion preferentially into the gilded film
Contamination by hydrocarbons (H)
- Oxidation of the gilded layer (due to the thermal treatment in air)
Na
Ca/2
Ti
Au*2
K*2
Film
~ 0.2 µm
Intermediate
zone
Glass substrate
Rf-GDOES analysis :
Interfacial reactions
Conclusions
- For (600°C) faster Au diffusion into untreated glassDAu  4 10-13 cm2/s than pre-treated glass DAu  2.4 10-14cm2/s
Ti and Sn interlayers act as a diffusion barrier
- Ti and Sn diffusion into the gold film and into the glass
formation of compounds Au-Ti or Au-Sn ?
- Diffusion of alkali components from the glass into thegold film
          formation of compounds ?
- Substantial presence of O in the gilded zone
formation of a gold oxide ?
Part 2: Characterization of a “liquid-gold”
Specimen
 
In-situ observations and analyses during the heatingprocess
Conclusions
Our liquid gold
Solid resin
in situ analytical methods
Optical microscope, X-ray diffraction, and thermal methods(differential scanning calorimeter and gravimetric analysis)
Sequential methods
Scanning electron microscope, energy dispersive spectrometryFTIR spectroscopy
cire macro 2
pâte x7
500m
1 mm
25°C
1 mm
25°C
1 mm
65°C
1 mm
65°C
1 mm
350°C
1 mm
350°C
1 mm
450°C
1 mm
450°C
1 mm
600°C
1 mm
600°C
1 mm
200°C
1 mm
200°C
Optical Microscope + Thermo-Gravimetric Analysis
Metallic film formationsmoothing, spreading
Drying phase
Evaporation ofthe solvent mix
Thermal decompositionof the resinates
Reflectance FTIR
25°C - 150°C :
Loss ofhydrocarbons
150°C -  330°C :
 C=O vibrationDecompositionof    R-SO2-OR'groups
Above 350°C :
Thin filmformation
C-Hvibration
C=Ovibration
R-SO2-OR'groups
Transmittance
300°C  650°C
 FWHM
Increase of goldcrystallite size
300°C
Crystalline gold
Amorphousresins
X-Ray diffraction
Complementary analysis : EDS
Surface analysis  after firing
0503012
2110030
HEATING
Liquid gold after screen-printing
Thickness  50 m
600°C : Heterogeneous film
Thickness  150 nm
Conclusions
- Critical temperature 300°C
Existence of the first gold crystallites
- From 300°C to 600°C,
Gold recrystallisation and grain growth
Oxidation or decomposition of some componds :V,Rh?Smoothing and spreading  of the film
Interdiffusion of gold into the glass and alkalielements into the gilded film (part 1)
What is the effect on adhesion properties?