Способ получения ультрадисперсного порошка нитрида галлия
Владельцы патента RU 2319667:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к получению порошка нитрида галлия, который может быть использован в качестве компонента керамики при изготовлении полупроводниковых элементов конструкций. Способ получения ультрадисперсного порошка нитрида галлия включает сжигание смеси порошкообразного галлийсодержащего соединения с высокоэкзотермичным порошкообразным металлом в газовой среде. В качестве галлийсодержащего соединения используют жидкий металлический галлий или оксид галлия, в качестве высокоэкзотермичного металла используют алюминий, в качестве газовой среды для сжигания используют воздух. Полученный ультрадисперсный порошок нитрида галлия для полного удаления примесей подвергают химической обработке в растворах соляной или серной кислот с последующей промывкой дистиллированной водой. Изобретение позволяет упростить технологию синтеза порошка нитрида галлия и использовать воздух в качестве азотсодержащего реагента. 1 табл.
Изобретение относится к технологии получения технической керамики, широкозонных полупроводниковых материалов, в частности нитрида галлия с шириной запрещенной зоны 3,4 эВ. Нитрид галлия может быть использован в качестве компонента керамики и металлокерамики для изготовления полупроводниковых, термостойких и теплопроводных элементов конструкций, а также в окислительных средах вместо нитрида алюминия и в сочетании с ним.
Известен способ получения кристалла галлийсодержащего нитрида, включающий азотирование порошка металла при высоком давлении азота (1000-10000 бар) в автоклавных реакторах путем частичного или полного растворения галлийсодержащего исходного материала и последующей кристаллизацией нитрида при повышенном давлении (см. заявку 2004100115 МПК7 С30В 9/00, дата публикации 10.04.2005, бюл. №10).
Недостатком данного способа является использование высоких давлений азота, аммиака или их смесей; аппаратов высокого давления - автоклавов; применение щелочных металлов; сложность технологических стадий получения нитрида галлия - растворение галлийсодержащего реагента в смеси со щелочным металлом в азотсодержащем газе, растворенном в другом газе; последующая кристаллизация галлийсодержащего нитрида; необходимость его периодического извлечения из реактора, связанная с загрязнением окружающей среды токсичными продуктами. Кроме того, получение кристаллов галлийсодержащего нитрида требует значительных энергозатрат, связанных с поддержанием высоких температур и давлений при синтезе, высокой стоимости реагентов - предшественников синтеза: азидов галлия, имидов галлия, амидо-имидов галлия.
Наиболее близким является выбранный за прототип способ получения простых веществ: Si, В, Ga, As, их соединений: оксидов, карбидов, нитридов, силицидов, теллуридов, станнидов, плюмбидов, германидов, арсенидов, боридов, галлидов, висмутидов и композиционных керамических материалов из них (см. заявку РФ №95105967, дата публикации 1996.03.20). В прототипе ультрадисперсный порошок нитрида галлия может быть синтезирован с помощью термического разложения и восстановления в газовой фазе химических соединений или при непосредственном взаимодействии веществ при плазмохимическом синтезе. При этом из высокочистых кремнефтористых солей или оксидов галлия синтезируют его фторид и затем проводят магнийтермию, продукты которой обрабатывают фтористым водородом с последующим их азотированием азотом или аммиаком и доочисткой индукционной плазмой.
К недостаткам этого способа относится многостадийность, эндотермичность используемых реакций и необходимость использования особочистых реагентов (содержание основного вещества 99,999%).
Основной технической задачей данного изобретения является существенное упрощение технических приемов синтеза по сравнению с прототипом, использованием воздуха в качестве азотсодержащего реагента и тепла экзотермичной реакции горения («химической печки») для высокотемпературной реакции галлийсодержащего реагента и азота.
Поставленная техническая задача достигается тем, что галлийсодержащий реагент механически смешивается с высокоэкзотермичным металлом - алюминием - при массовом соотношении реагентов «металл/галлийсодержащий реагент», равном от 0,1 до 4, затем инициируется горение свободнонасыпанной смеси порошков. Смесь сгорает в самоподдерживающемся режиме в воздухе с образованием целевого продукта - ультрадисперсного порошка нитрида галлия. Затем проводится его выделение путем химической обработки в растворах серной или соляной кислот. Полученный ультрадисперсный порошок нитрида галлия промывается холодной дистиллированной водой. Содержание нитрида галлия определяется по данным рентгенофазового и химического анализа. Дисперсность порошка определяется методом лазерной дифракции.
Пример 1. Металлический галлий в жидком состоянии наносят на поверхность частиц карбоната магния марки ХЧ и смешивают с порошком алюминия марки ПАП-2 в соотношении Al:(Ga+MgO), равном от 0,1 до 4 мас. частей (таблица). Затем смесь поджигают в воздухе при атмосферном давлении. Продукты горения обрабатывают 0,1 н. раствором соляной кислоты, растворяющей побочные продукты - нитрид алюминия, металлический алюминий и оксид магния. Осадок - порошок нитрида галлия - промывают водой, сушат в воздухе при температуре 200°С в течение 1 часа и проводят анализ. Содержание связанного азота в полученном нитриде галлия составляет 14,2-15,8%, содержание нитрида галлия в пересчете на связанный азот - 85,0-93,5 мас.%. Площадь удельной поверхности порошка нитрида галлия составляет 18,2-20,4 м2/г, среднеповерхностный диаметр частиц - 0,12-0,10 мкм.
| Таблица Содержание GaN в продуктах горения после обработки раствором 0,1 Н HCl в зависимости от соотношения Al:(Ga+MgO) в исходных смесях | ||||
| № | Соотношение Al:(Ga+MgO), мас. части | Режим горения | Содержание GaN в продуктах горения после обработки раствором 0,1 н. HCl, мас.% | |
| 1. | 0.05 | Не инициируется | - | |
| 2. | 0.10 | Самоподдерживающийся, устойчивый | 85.0 | |
| 3. | 0.50 | 88.5 | ||
| 4. | 1.00 | 92.0 | ||
| 5. | 2.00 | 93.5 | ||
| 6. | 3.00 | 90.5 | ||
| 7. | 4.00 | 89.0 | ||
| 8. | 5.00 | Не инициируется | - |
Пример 2. Все, как в примере 1, но в исходной смеси в качестве галлийсодержащего реагента используют порошкообразный оксид галлия марки ХЧ, соотношение Al:Ga2О3 равно 1:5 мас. частей, обработку проводят 2 н. раствором серной кислоты. Продукт представляет собой серый порошок нитрида галлия с содержанием нитрида галлия в пересчете на связанный азот - 95,5 мас.%.
Предложенный способ получения ультрадисперсного порошка нитрида галлия характеризуется простотой технологического оформления, не требует энергетических затрат, так как протекает в самоподдерживающемся режиме и в качестве исходных реагентов применяются доступные и недорогие вещества, к которым не предъявляются требования особой чистоты.
Способ получения ультрадисперсного порошка нитрида галлия путем сжигания смеси порошкообразного галлийсодержащего соединения с высокоэкзотермичным порошкообразным металлом в газовой среде, отличающийся тем, что в качестве галлийсодержащего соединения используют жидкий металлический галлий или оксид галлия, в качестве высокоэкзотермичного металла используют алюминий, в качестве газовой среды для сжигания используют воздух; полученный ультрадисперсный порошок нитрида галлия для полного удаления примесей подвергают химической обработке в растворах соляной или серной кислоты с последующей промывкой дистиллированной водой.
