Способ получения кристаллов фуллерена с60 особой чистоты



Способ получения кристаллов фуллерена с60 особой чистоты
Способ получения кристаллов фуллерена с60 особой чистоты
Способ получения кристаллов фуллерена с60 особой чистоты

 


Владельцы патента RU 2442847:

Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) (RU)

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к выращиванию кристаллов из парогазовой фазы. Способ включает низкотемпературную обработку порошка фуллерена С60 в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 720 K в течение 3 часов, затем обработанный порошок подвергают сублимации в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 880 K в течение 8 часов, из сублимированного порошка выращивают первичные кристаллы фуллерена С60 в статическом вакууме 10-4 Па в запаянных кварцевых ампулах при температуре 880 K с температурным градиентом между зоной испарения и зоной роста 5 K в течение 1-5 суток, а далее из первичных кристаллов выращивают финишные кристаллы фуллерена С60 при условиях, аналогичных условиям выращивания первичных кристаллов. Изобретение позволяет получать кристаллы фуллерена С60 высокого структурного совершенства, относительно больших размеров (4-8 мм в длину, 3-4 мм в ширину при толщине 1-2 мм) и практически не содержащих примесей. 3 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к выращиванию кристаллов сложных химических соединений из парогазовой фазы.

Из уровня техники известен способ выращивания кристаллов фуллерена С60 газофазным методом [R.M. Fleming, Т.Siegrist, P.M.Marsh, В.Hessen, A.R.Kortan, D.W.Murphy, R.С.Hadson, R.Tycko, G.Dabbagh, A.M.Mujsce, M.L.Kaplan, S.M.Zahurak. Diffraction symmetry in crystalline close-packed С60. Mat. Res. Soc. Symp. Proc., 1991, v.206, p.691-695]. По этому способу ампулу с порошком фуллерена С60 чистотой ~99% и находящуюся под вакуумом помещают в печь с градиентом температуры. В месте загрузки порошка и зоне испарения температура составляет ~800 K, а в зоне роста кристаллов (зоне конденсации) ~300 К. Продолжительность процесса ~30 минут. Известен также способ получения чистых кристаллов С60 газофазным методом, принятый нами за прототип [J.De Bruijn, A.Dworki, H.Szwar, J.Godard, R.Cbolin, C.Fabr, A.Rassat. Thermodynamic properties of a single crystal of fullerene С60: a DSC Study. Europhysics Letters, 1993, v.24, p.551-556], в соответствии с которым исходный порошок фуллерена С60 чистотой 99% помещают в кварцевый контейнер и выдерживают его в вакууме при температуре 440 K в течение 21 суток для удаления растворителей (бензола, толуола и т.д.) из кристаллического фуллерена С60. Затем ампулу с порошком фуллереном С60 помещают в печь с температурой 820 K на одном конце ампулы и с температурой 800 K на другом. Общая продолжительность процесса составляет 20 суток. Размеры кристаллов, выращенных указанным способом, достигают 2 мм.

Недостатком указанных способов является невозможность получения кристаллов С60, имеющих достаточно большие размеры и полностью очищенных от примесей (в основном органических), что подтверждается анализом методом инфракрасной (ИК) спектрометрии.

Техническая задача - получение кристаллов фуллерена С60 особой чистоты, практически не содержащих примесей.

Это достигается тем, что в способе получения кристаллов фуллерена С60 особой чистоты, включающем низкотемпературную обработку порошка фуллерена С60 в динамическом вакууме, низкотемпературную обработку порошка С60 осуществляют в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 720 K в течение 3 часов, затем обработанный порошок подвергают сублимации в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 880 K в течение 8 часов, из сублимированного порошка выращивают первичные кристаллы фуллерена С60 в статическом вакууме 10-4 Па в запаянных кварцевых ампулах при температуре 880 K с температурным градиентом между зоной испарения и зоной роста 5 K в течение 1-5 суток, а далее из первичных кристаллов выращивают финишные кристаллы фуллерена С60 при условиях, аналогичных условиям выращивания первичных кристаллов.

Способ поясняется тремя рисунками.

Рис.1. ИК-спектры поглощения фуллерена С60, соответствующие последовательным стадиям очистки: 0 - исходный порошок, 1 - порошок после его очистки от адсорбированных органических и газовых примесей в динамическом вакууме, 2 - порошок после сублимации в динамическом вакууме, 3 - первичный кристалл, выращенный из сублимированного порошка в статическом вакууме, 4 - финишный кристалл, выращенный из первичных кристаллов в статическом вакууме.

Рис.2. Зависимость отношения величины основного пика ИК-поглощения примеси (962 см-1) к величине основного пика ИК-поглощения кристаллического С60(1182 см-1) от стадии обработки.

Рис.3. Кристаллы фуллерена С60, полученные предложенным способом очистки.

Способ осуществляют следующим образом. В кварцевую ампулу загружают исходный порошок фуллерена С60, подсоединяют ампулу к вакуумному насосу и проводят низкотемпературную термообработку при температуре 720 K при непрерывной (динамической) откачке в течение 3-4 часов. Затем температуру в печи постепенно повышают до 880 K и проводят сублимацию порошка фуллерена С60 также в динамическом вакууме в течение 8 часов. Полученный фуллерен С60 в виде мелких кристаллитов извлекают и помещают в отпаянные кварцевые ампулы (статический вакуум). Ампулы помещают в печь, предварительно нагретую до температуры 880 K, с градиентом температуры между зоной испарения и зоной конденсации (роста кристаллов), равным 5 K. Выращивание первичных кристаллов проводят в статическом вакууме в течение 1-5 суток. Первичные кристаллы помещают в ампулы, герметично отпаивают под вакуумом 10-4 Па и проводят рост финишных кристаллов в статическом вакууме, аналогично условиям выращивания первичных кристаллов.

Обязательное использование статического вакуума на обеих ростовых (и одновременно - рафинировочных) стадиях обусловлено тем, что в условиях динамического вакуума нарушается стабильность условий роста и происходит существенная потеря порошка, чем отчасти объясняется невозможность получения более крупных по своим размерам образцов кристаллов фуллерена С60. Только в статическом вакууме удается реализовать оптимальные ростовые условия, особенно получение заданного температурного градиента между зоной испарения и зоной конденсации (роста). Использование принципа перекристаллизации, при котором выращиваются вторичные кристаллы фуллерена С60 из первичных кристаллов, позволяет достигать очень высокой (особой) чистоты кристаллов, что подтверждается результатами анализа методом ИК-спектрометрии, являющимся единственным доступным и эффективным методом в мировой практике для проведения физической характеризации химических соединений такой высокой чистоты - в пользу этого тезиса свидетельствует рис.1, на котором отлично продемонстрировано существенное различие в измеренных инфракрасных спектрах пропускания для первичных и финишных кристаллов.

Анализ исходного порошка и кристаллов С60 на всех стадиях процесса - после низкотемпературной обработки, зонной сублимации, роста первичных и финишных кристаллов проводят путем измерения спектров пропускания методом ИК-спектрометрии. Эффект очистки кристаллов фуллерена С60 определяют по отношению амплитуды максимального ИК-пика поглощения примесями к амплитуде максимального ИК-пика поглощения кристаллического фуллерена С60. ИК-спектры исходного порошка и кристаллов фуллерена С60, соответствующие каждой стадии очистки, а также данные анализа ИК-спектров представлены на рис.1 и 2. Как видно из рис.1, величина амплитуды максимального ИК-пика поглощения примесями (962 см-1) постоянно снижается на каждой стадии процесса очистки фуллерена С60, в то время как величина амплитуды ИК-пика поглощения фуллерена С60 (1182 см-1) увеличивается с одновременным уменьшением его ширины, составляющей 15 см-1 для исходного порошка С60 и 4 см-1 для кристаллов С60 после всех стадий очистки и роста. Это свидетельствует о повышении качества структуры кристаллов фуллерена С60 в процессе их очистки. В соответствии с рис.2, отношение амплитуды максимального ИК-пика поглощения примесями к амплитуде максимального ИК-пика поглощения кристаллического фуллерена С60 снижается от 0,35 до 0,015, т.е. содержание примесей в кристаллическом фуллерене С60 снижается в 20 раз после завершения процесса его очистки.

Пример реализации.

Для получения кристаллов фуллерена С60 особой чистоты в кварцевую ампулу длиной 500 мм, с внутренним диаметром 8 мм и толщиной стенки 1 мм загружали 10 г порошка фуллерена С60 чистотой 99,9% и размером зерна 100 мкм. После непрерывной откачки ампулы (динамический вакуум) с помощью вакуумного насоса до 10-4 Па ампулу помещали в печь. Печь постепенно нагревали до температуры 720 K в течение 3 часов и производили выдержку при этой температуре в течение 3 часов. В этих условиях происходила активная очистка порошка фуллерена С60 от адсорбированных органических и газовых примесей в динамическом вакууме. Как показал анализ ИК-спектров, основная очистка фуллерена С60 от органических и сублимированных примесей происходит в течение первых 3-4 часов. Дальнейшее увеличение продолжительности процесса до 12, 24, 48 часов не приводит к уменьшению содержания примесей. Затем температуру в печи постепенно повышали до 880 K в течение 1 часа и выдерживали порошок при этой температуре в динамическом вакууме в течение 8 часов. За это время происходила сублимация 90-95% массы загруженного порошка (9,0-9,5 г). Печь охлаждали до комнатной температуры. После сублимации фуллерен С60 в виде мелких кристалликов размером 0,1-0,2 мм перегружали в кварцевые ампулы с внутренним диаметром 8 мм, толщиной стенки 1 мм и длиной 150 мм и проводили откачку ампул вакуумным насосом до вакуума 10-4 Па, после чего ампулы герметично отпаивали (статический вакуум). Длина ампул после отпайки составляла 100 мм. Ампулы помещали в нагретую печь с температурой 880 K в зоне испарения и 875 K в зоне конденсации (роста кристаллов), т.е. температурный градиент составлял 5 K. Выращивание первичных кристаллов в статическом вакууме осуществляли в течение 1-5 суток. После завершения процесса роста ампулы извлекали из печи, охлаждали до комнатной температуры, вскрывали и образовавшиеся в них кристаллы фуллерена С60 перегружали в такие же, как и в предыдущем случае, ампулы. Ампулы вакуумировали до 10-4 Па, герметично отпаивали, помещали в ту же печь и при тех же параметрах (температурах и продолжительности процесса) проводили рост финишных кристаллов в статическом вакууме. На каждом этапе обработки проводили анализ фуллерена С60 на содержание примесей методом ИК-спектрометрии (рис.1 и 2). Полученные кристаллы фуллерена С60 имели правильную огранку, а размеры их составляли 4-8 мм в длину, 3-4 мм в ширину при толщине 1-2 мм (рис.3). Предложенный способ получения кристаллов фуллерена С60 позволяет получать кристаллы высокого структурного совершенства, относительно больших размеров и практически не содержащих примесей.

Способ получения кристаллов фуллерена С60 особой чистоты, включающий низкотемпературную обработку порошка фуллерена С60 в динамическом вакууме, отличающийся тем, что низкотемпературную обработку порошка С60 осуществляют в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 720 К в течение 3 ч, затем обработанный порошок подвергают сублимации в динамическом вакууме 10-4 Па при температуре 880 К в течение 8 ч, из сублимированного порошка выращивают первичные кристаллы фуллерена С60 в статическом вакууме 10-4 Па в запаянных кварцевых ампулах при температуре 880 К с температурным градиентом между зоной испарения и зоной роста 5 К в течение 1-5 сут, а далее из первичных кристаллов выращивают финишные кристаллы фуллерена С60 при условиях, аналогичных условиям выращивания первичных кристаллов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области получения монокристаллических слоистых пленок графита на полупроводниковых подложках, представляющих интерес для использования в производстве приборов оптоэлектроники.

Изобретение относится к металлургии высокочистых металлов и может быть использовано при выращивании бикристаллов переходных металлов и их сплавов. .

Изобретение относится к металлургии высокочистых металлов и может быть использовано при выращивании трубчатых кристаллов вольфрама электронно-лучевой вертикальной зонной плавкой с использованием кольцевого затравочного кристалла.

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности для получения наночастиц Ga. .

Изобретение относится к способу очистки галлия методом направленной кристаллизации. .

Изобретение относится к области получения поликристаллических тел из газовой фазы и может быть использовано для получения изделий из металлов, в частности из кальция или магния, имеющих высокое давление паров.

Изобретение относится к полупроводниковой и сверхпроводниковой электронике, преимущественно к способам изготовления функциональных устройств на основе фуллеренов.

Изобретение относится к области выращивания микромонокристаллов нитрида алюминия. .

Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии получения монокристаллического SiC - широко распространенного материала, используемого при изготовлении интегральных микросхем.

Изобретение относится к устройствам для получения твердых растворов карбида кремния с нитридом алюминия, используемых в производстве силовых, СВЧ- и оптоэлектронных приборов, работающих при высокой температуре и в агрессивных средах.

Изобретение относится к устройствам для получения твердых растворов карбида кремния с нитридом алюминия, используемых в производстве силовых, СВЧ- и оптоэлектронных приборов, работающих при высокой температуре и в агрессивных средах.

Изобретение относится к полупроводниковым материалам и технологии их получения и может быть использовано в электронике. .

Изобретение относится к микроэлектронике и касается технологии получения монокристаллического SiC, используемого для изготовления интегральных микросхем. .

Изобретение относится к устройствам для получения полупроводников и предназначено, в частности, для производства коротковолновых оптоэлектронных полупроводниковых приборов, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

Изобретение относится к способу получения биоактивных кальций-фосфатных покрытий и может быть использовано при изготовлении ортопедических и зубных протезов. .

Изобретение относится к области технологии получения многокомпонентных полупроводниковых материалов и может быть использовано в электронной промышленности для получения полупроводникового материала - твердого раствора (SiC)1-x(AlN)x для создания на его основе приборов твердотельной силовой и оптоэлектроники, для получения буферных слоев (SiC) 1-x(AlN)x при выращивании кристаллов нитрида алюминия (AlN) или нитрида галлия (GaN) на подложках карбида кремния (SiC).
Изобретение относится к выращиванию монокристаллов из паров, в частности к выращиванию монокристаллов нитрида алюминия конденсацией испаряемого или сублимируемого материала.
Наверх