Способ получения нитевидного нитрида алюминия



Способ получения нитевидного нитрида алюминия
Способ получения нитевидного нитрида алюминия

 


Владельцы патента RU 2617495:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" (RU)

Изобретение относится к химической технологии получения нитевидных нанокристаллов нитрида алюминия (или нановискеров) и может быть использовано при создании элементов нано- и оптоэлектроники, а также люминесцентно-активных наноразмерных сенсоров медико-биологического профиля. Сущность изобретения заключается в обработке нагретого алюминия газообразными реагентами в виде галогенида алюминия, например трифторида алюминия, и азотсодержащего газа и последующую конденсацию конечного продукта, причем порошок трифторида алюминия размещают в одной реакционной камере с гранулами металлического алюминия и испаряют одновременно при температуре 1050-1150°C, а конденсацию осуществляют на поверхности жидкого алюминия. Изобретение позволяет получать нитевидный нитрид алюминия со средним диаметром менее 100 нм по всей протяженности волокна и с соотношением длины волокна к диаметру более 100. 4 ил., 2 пр.

 

Изобретение относится к химической технологии получения соединений алюминия, а именно к технологии получения нитевидного нитрида алюминия в виде нановискеров, и может быть использовано при разработке эффективных электролюминофоров для новых источников света в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, а также при создании элементов нано-оптоэлектроники и люминесцентно-активных наноразмерных сенсоров медико-биологического профиля.

Нитрид алюминия благодаря широкой запрещенной зоне 6.2 эВ и уникальным физико-химическим свойствам является перспективным материалом для целей оптоэлектроники. Наиболее перспективными структурами на основе AlN с уникальными транспортными, электрическими, люминесцентными и адсорбционными свойствами являются нитевидные нанокристаллы - новый класс материалов для элементов и сенсоров современной микроэлектроники и нано-оптоэлектроники многоцелевого назначения (В.Г. Дубровский, Г.Э. Цырлин, В.М. Устинов. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы: синтез, свойства, применение // Физика и техника полупроводников, 2009, том 43, вып. 12, с. 1585-1628; Е.И. Гиваргизов. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. М. Наука, 1977, - 304 с.).

Известны способы получения нитрида алюминия высокотемпературным (1300-1700°C) карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота (заявка Великобритании №2233969, МПК C01B 21/072, опубл. 23.01.91 (средний размер частиц менее 1 мкм); заявка Японии №3-48123, МПК C01B 21/072, опубл. 23.07.91) и кристаллов нитрида алюминия совместно с монокристаллами фторидов металлов (Патент США №4172754, МПК C01B 21/06, опубл. 10.08.71). Недостатком подобных способов является то, что они позволяют получать только мелкодисперсные порошки или керамические образцы AlN. Нитевидные кристаллы AlN (нановискеры нитрида алюминия) такими известными способами с использованием вышеуказанных патентных документов получить нельзя.

Патентом защищен способ получения волокон нитрида алюминия путем спекания смеси алюминий содержащего соединения, полимерного органического вещества, углеродсодержащего и/или азотсодержащего соединения (Заявка Франции №2647436, МПК C04B 35/581, опубл. 30.11.90). Процесс синтеза ведут в неокислительной инертной атмосфере, содержащей азот. Однако при использовании этого известного способа волокна имеют малое отношение длины волокна к диаметру (не более 10-50). Синтезируемые образцы A1N имеют диаметр от 100 мкм до 1 мм. Получить нитевидные волокна наноразмерного диаметра и с отношением длины волокна к диаметру более 100 известный способ не позволяет.

Разработан способ получения игольчатого нитрида алюминия, включающий продувку алюминиевой пудры, нагретой до 950-1000°C, смесью аргона и аммиака при дозированной подаче последней, что обеспечивает образование и рост игольчатых кристаллов нитрида алюминия на поверхности алюминиевых частиц (Заявка США №4322395, МПК C01B 21/072. опубл. 30.03.82). Однако известная технология требует контроля полноты протекания реакции, что удорожает технологию. Недостатком данного способа является также то, что игольчатые кристаллы AlN, получаемые подобным способом, загрязнены металлическим алюминием и теряют свои уникальные свойства. Главным недостатком известного способа является то, что получить нитевидные волокна с отношением длины волокна к диаметру, равным 100 и более, известный метод не позволяет. Характерный размер отдельных иголок может быть около 2 мм длиной и 0.2 мм в диаметре, таким образом аспектное соотношение составляет 10:1.

Нитевидные кристаллы - вискеры нитрида алюминия могут быть получены высокотемпературным (1800-2000°C) карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота в присутствии катализатора роста (Заявка Франции №0749940, МПК C01B 21/072, опубл. 27.12.96). Однако данный способ является сложным в технологическом отношении и получаемые по этому способу вискеры AlN имеют диаметр в диапазоне 1-50 мкм.

Существует способ получения вискеров нитрида алюминия, включающий одновременное проведение реакции карботермического азотирования в присутствии реакции прямого азотирования и газотранспортной реакции (Заявка США №5693305, МПК C01B 21/72, опубл. 02.12.97). Однако получаемые волокна имеют диаметр 0.3-3 мкм и малое отношение длины волокна к диаметру (не более 7-20).

Разработан способ получения нанопроволоки нитрида алюминия высокотемпературным (1500-2200°C) карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота и аммиака (Заявка Китая №101323439, МПК C01B 21/072, опубл. 17.12.08). Недостатками такого процесса синтеза являются его сложность и необходимость использовать очень высокие температуры. Контролируемый диаметр нанопроволок находится в диапазоне 50-200 нм.

Известен способ получения нанопроволоки нитрида алюминия (Заявка Китая №103539087, МПК C01B 21/072, опубл. 29.01.14). Однако в процессе синтеза применяются кремниевые пластины с напылением золота, используемого в качестве инициатора роста, что приводит к удорожанию технологии.

Нитевидный нитрид алюминия может быть получен путем обработки нагретого алюминия газообразными галогенидами алюминия, подаваемыми со скоростью 0,1-6 см3/мин на каждый 1 см2 поверхности конденсации, и азотсодержащими газами, причем соотношение между галогенидом алюминия и азотом поддерживают на уровне 1:(1,2-12), а конденсацию ведут на подложке из компактного поликристаллического нитрида алюминия (патент РФ №2106298, МПК C01B 21/072, опубл. 10.03.98).

Способ обеспечивает получение нитрида алюминия в виде волокон с соотношением длины к диаметру более 100, но характерные размеры авторами не указаны. Однако данный способ является сложным в технологическом отношении.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения нитрида алюминия в виде нитевидных кристаллических волокон с отношением длины волокна к диаметру более 200-300 путем пропускания через нагретый алюминий газообразных реагентов в виде азота и галогенидов алюминия с регулируемой скоростью 0,1-6 см3/мин на каждый 1 см2 поверхности конденсации и последующей конденсацией на подложке из чистого графита (патент РФ №2312061, МПК C01B 21/072, опубл. 10.12.07, бюл. №34). Недостатком получаемых волокон являются большой диаметр: средняя величина по всей длине волокна составляет 5-6 мкм, оконечный участок волокна имеет согласно описанию толщину (диаметр) 2,9 мкм и только самый кончик/острие волокна имеет диаметр 60 нм.

Задачей настоящего изобретения является разработка технологии получения нитрида алюминия в виде нитевидных кристаллов со средним диаметром менее 100 нм по всей протяженности волокна и соотношением длины к диаметру более 100.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе, включающем взаимодействие нагретого алюминия с азотом и галогенидами алюминия (III), скорость подачи которых находится на уровне 0.1-6.0 см3/мин на каждый 1 см2 поверхности конденсации, весь процесс синтеза ведут в реакционной камере, куда газообразный галогенид алюминия, необходимый для обеспечения процесса синтеза нитевидных волокон нитрида алюминия, поступает в результате испарения порошка тригалогенида алюминия из находящегося внутри реакционной камеры внешнего тигля, а конденсацию ведут на поверхности жидкого алюминия, находящегося в малом внутреннем тигле, который в свою очередь находится внутри внешнего тигля в той же реакционной камере. Реакционная камера во время процесса синтеза заполняется азотсодержащим газом, подаваемым в необходимом количестве в область над жидким алюминием.

На фиг. 1 схематически представлена установка для реализации заявляемого способа синтеза, сущность которого заключается в следующем. Внутри реакционной камеры 1 испаряли порошок трифторида алюминия, находящийся во внешнем тигле 2. Пары трифторида алюминия поступали во внутренний тигель 3, наполненный жидким алюминием, при температуре 1050-1150°C нагревателя печи 4, достаточной для образования субгалогенида алюминия. Во внутреннее пространство реакционной камеры 1 в область над жидким алюминием подавали азотсодержащий газ, например N2 и NH3, из баллона 5 в соотношении 1:1.2 и выше относительно трифторида алюминия необходимого по стехиометрии химической реакции.

В этом случае на поверхности жидкого алюминия идут следующие реакции:

2Al(жид)+AlF3(газ)=3AlF(газ)

3AlF(газ)+N2(газ)=2AlN(тв.)+AlF3(газ)

Нитрид алюминия образуется в виде нитевидных нанокристаллов на активных центрах роста AlN, возникающих на поверхности жидкого алюминия. На этих активных центрах по ходу процесса синтеза формируется слой AlN из нитевидных волокон со средним диаметром менее 100 нм по всей длине волокна при соотношении длины волокна к диаметру более 100 (фиг. 2).

Способ иллюстрируется следующими примерами выполнения.

Пример 1. Способ получения нитевидного нитрида алюминия.

Способ получения нитевидного нитрида алюминия включает следующие процедуры. Исходный порошок трифторида алюминия испаряют из внешнего тигля, расположенного в реакционной камере, при температуре 1050°С, пары трифторида алюминия поступают во внутренний тигель с жидким алюминием при такой же температуре. В пространство над тиглями подают азот со скоростью примерно в 5 раз больше, чем необходимо по стехиометрии реакции. Продолжительность процесса синтеза составляла 2 часа. За это время в приповерхностных слоях жидкого алюминия сформировались массивы из нитевидных волокон - нановискеров AlN. Толщина массивов из нитевидных волокон около 1 мм. Анализ снимков, полученных с помощью электронного микроскопа Sigma VP Carl Zeiss, показал, что A1N представляет собой нитевидные нанокристаллы со средним диаметром менее 100 нм по всей длине волокна и соотношением длины к диаметру более 100 (фиг. 3). С помощью рентгенофазового анализа на дифрактометре X'PertPro MPD PANalytical установлено, что продуктом синтеза является гексагональный нитрид алюминия.

Пример 2. Способ получения нитевидного нитрида алюминия.

Способ получения нитевидного нитрида алюминия включает следующие процедуры. Исходный порошок трифторида алюминия испаряют из внешнего тигля, расположенного в реакционной камере, при температуре 1150°С, пары трифторида алюминия поступают во внутренний тигель с жидким алюминием при такой же температуре. В пространство над тиглями подают аммиак со скоростью примерно в 5 раз больше, чем необходимо по стехиометрии реакции. Продолжительность процесса синтеза составляла 2 часа. За это время в приповерхностных слоях жидкого алюминия сформировался массив из нановискеров AlN с толщиной слоя около 1 мм. Снимки этих нитевидных нанокристаллов, полученные на электронном микроскопе Sigma VP Carl Zeiss, приведены на фиг. 4. Как видно из фиг. 4, AlN представляет собой нитевидные нанокристаллы со средним диаметром менее 100 нм по всей длине волокна и соотношением длины к диаметру более 100. Рентгенофазовый анализ конечного продукта на дифрактометре X'PertPro MPD PANalytical показал, что синтезированные нановискеры AlN получены в виде массивов из волокон гексагонального нитрида алюминия. Установлено, что средний диаметр получаемых по предлагаемому способу нитевидных волокон по всей их длине составляет 77±16 нм.

Техническим результатом является расширение арсенала известных технологий получения нитрида алюминия путем создания дополнительного способа получения нитевидного нитрида алюминия со средним диаметром менее 100 нм по всей протяженности волокна и с соотношением длины волокна к диаметру более 100.

Способ получения нитевидного нитрида алюминия, включающий обработку нагретого алюминия газообразными реагентами в виде галогенида алюминия и азотсодержащего газа и последующую конденсацию конечного продукта, отличающийся тем, что галогенид алюминия размещают в одной реакционной камере с алюминием и испаряют одновременно при температуре 1050-1150°С, а конденсацию ведут на поверхности жидкого алюминия.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов путем выращивания легированных нитевидных нанокристаллов кремния на кремниевых подложках по схеме пар→жидкая капля→кристалл (ПЖК).

Изобретение относится к технологии получения нитевидных монокристаллов сульфобромидов трехвалентных металлов SbSBr, BiSBr, CrSBr, которые могут быть использованы в качестве легирующих добавок при получении композитных пьезоэлектрических материалов с заданными свойствами в гидроакустических преобразователях и преобразователях электромагнитной энергии в механическую.

Изобретение относится к способу получения медьсодержащих нанокатализаторов с развитой поверхностью, который заключается в том, что сначала из раствора электролита на металлический носитель методом электроосаждения наносят медь, затем носитель с нанесенным активным металлом подвергают термообработке.

Изобретение относится к технологии переработки кальций- и кремнийсодержащих техногенных отходов борного производства (борогипса) и может быть использовано при производстве игольчатого волластонита для применения в цветной металлургии, в шинной, асбоцементной и лакокрасочной промышленности, в производстве керамики.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выращиванию волокон из расплава. Способ получения монокристаллических волокон из тугоплавких материалов включает размещение в вакуумной камере питателя исходного материала в виде прутка, подачу лазерного излучения на поверхность исходного материала и вытягивание исходного материала с образованием волокна, при этом при подаче лазерного излучения на поверхность исходного материала лазерный луч сканируют в двух взаимно перпендикулярных плоскостях с частотами f1=f2, равными 200÷300 Гц, с амплитудой A, равной 1,5-5 B, где B - наибольший размер держателя питателя исходного материала.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния включает подготовку ростовой кремниевой подложки путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора конденсацией микрокапель коллоидного раствора и помещением подготовленной пластины в ростовую печь с последующим выращиванием нитевидных нанокристаллов, при этом на коллоидный раствор воздействуют ультразвуком, причем мощность ультразвукового генератора задают в пределах от 30 до 55 Вт, а температуру раствора поддерживают в интервале от 273 K до 370 K.

Изобретение относится к производству профилированных высокотемпературных волокон тугоплавких оксидов, гранатов, перовскитов. Устройство содержит ростовую камеру 1 с установленными в ней тиглем 2 для расплава с формообразователем 3, нагреватель 4 тигля 2, экраны 5, затравкодержатель 6, средство 7 его перемещения, направляющий элемент 8, расположенный на расстоянии над формообразователем 3, при этом направляющий элемент 8 имеет два или более свободно покоящихся сапфировых стержня 9, концы которых лежат в нижних точках выемок в подставках 10 из тугоплавкого металла, расположенных параллельно друг другу и скрепленных с помощью шпилек и гаек, при этом растущее волокно 11 расположено между сапфировыми стержнями 9 с возможностью соприкосновения с ними.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых материалов и предназначено для управляемого выращивания нитевидных кристаллов полупроводников. Способ включает подготовку полупроводниковой пластины путем нанесения на ее поверхность частиц катализатора с последующим помещением подготовленной пластины в ростовую печь, нагревом и созданием в пластине продольного температурного градиента 10-100°C/см, далее осуществляют осаждение кристаллизуемого вещества из паровой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, молярное соотношение компонентов газовой фазы к водороду устанавливают в интервале 0,005-0,015, а перепад температуры по диаметру капли катализатора обеспечивают в диапазоне 0,15-0,4°C.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ включает подготовку кремниевой пластины путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора с последующим помещением в ростовую печь, нагревом и осаждением кристаллизуемого вещества из газовой фазы по схеме пар→капельная жидкость→кристалл, при этом перед нанесением частиц катализатора и помещением подложки в ростовую печь пластину кремния легируют фосфором до удельного сопротивления 0,008-0,018 Ом·см и анодируют длительностью не более 5 мин с подсветкой галогенной лампы в смеси 48%-ного раствора HF и C2H5OH (96%) в соотношении 1:1, причем плотность тока анодизации поддерживают на уровне не менее 10 мА/см2, а наночастицы катализатора наносят электронно-лучевым напылением пленки металла толщиной не более 2 нм.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных физических исследований кинетики роста кристаллов.

Изобретение относится к технологии изготовления обособленных кристаллов нитридов элементов III группы для электронных и оптоэлектронных применений. Способ включает стадии выращивания первого слоя нитридов элементов III группы на инородной подложке, обработки первого слоя нитридов элементов III группы лазером, выращивания второго слоя нитридов элементов III группы на первом слое нитридов элементов III группы, отделения путем лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки, при этом лазерную обработку первого слоя выполняют внутри реактора и при температуре в пределах ±50°С от температуры выращивания, лазерную обработку первого слоя выбирают, по меньшей мере, из одного из следующего: отрезание, сверление или травление для образования бороздок, отверстий или других полостей в первом слое и создания между ними областей пониженных напряжений, стадию отделения с помощью лазерного отслаивания второго слоя нитридов элементов III группы от подложки выполняют внутри реактора и при температуре в пределах ±50°С от температуры выращивания.

Изобретение относится к производству независимых подложек из нитрида III группы для применения в области электроники и оптоэлетроники. Способ получения независимой подложки 100 из нитрида III группы включает осаждение первого слоя 102 нитрида III группы на подложку 101 для выращивания, формирование в первом слое 102 механически ослабленного жертвенного слоя 110, осаждение второго слоя 107 нитрида III группы на первый слой 102 и отделение второго слоя 107 от подложки 101 по механически ослабленному жертвенному слою 110, при этом стадия формирования механически ослабленного жертвенного слоя 110 включает образование вертикальных отверстий 105, проходящих вниз от свободной поверхности первого слоя 102 нитрида III группы к границе раздела 109 между первым слоем 102 и подложкой 101, латеральное травление, через отверстия 105, первого слоя 102 в указанной граничной области 109 и латеральное заращивание отверстий 105 на стадии осаждения второго слоя 107 для обеспечения непрерывного слоя.

Изобретение относится к технологии выращивания эпитаксиальных слоев полупроводниковых кристаллов нитридов третьей группы на слоистой кристаллической структуре с оптически ослабленной границей.

Изобретение относится к области технологии получения твердых кристаллических материалов методом газофазной эпитаксии. При выращивании эпитаксиальной пленки нитрида третьей группы 3 на ростовой подложке 1 используют полиморфный углеродный буферный слой 4, расположенный между подложкой 1 и эпитаксиальной пленкой 3 и состоящий из смеси поликристаллического углерода с преимущественно вертикально ориентированными базисными плоскостями 5, поликристаллического углерода с преимущественно горизонтально ориентированными базисными плоскостями 6 и аморфного углерода 7.

Изобретение относится к способу изготовления высококачественных пластин нитрида галлия эпитаксиальным выращиванием с низкой плотностью дислокации на подложке и отделением от исходной подложки, а также к полупроводниковым пластинам, имеющим кристалл GaN.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического нитрида алюминия, который входит в состав светоизлучающих диодов и лазерных элементов. .

Изобретение относится к технологии выращивания полупроводниковых материалов и может быть использовано для получения монокристаллов нитрида галлия, а также твердых растворов на его основе.

Изобретение относится к технологии получения объемных монокристаллов и может быть использовано, преимущественно, в оптоэлектронике при изготовлении подложек для различных оптоэлектронных устройств, в том числе светодиодов, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллического SiC - широкозонного полупроводникового материала, используемого для создания на его основе интегральных микросхем.
Наверх