RU2617495C1 - Method for producing aluminium nitride whiskers - Google Patents

Method for producing aluminium nitride whiskers Download PDF

Info

Publication number
RU2617495C1
RU2617495C1 RU2016102290A RU2016102290A RU2617495C1 RU 2617495 C1 RU2617495 C1 RU 2617495C1 RU 2016102290 A RU2016102290 A RU 2016102290A RU 2016102290 A RU2016102290 A RU 2016102290A RU 2617495 C1 RU2617495 C1 RU 2617495C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
aluminium
diameter
aluminum nitride
producing
Prior art date
Application number
RU2016102290A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Дмитриевич Афонин
Дмитрий Витальевич Чайкин
Анна Петровна Кожевникова
Александр Сергеевич Вохминцев
Илья Александрович Вайнштейн
Борис Владимирович Шульгин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2016102290A priority Critical patent/RU2617495C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2617495C1 publication Critical patent/RU2617495C1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00—Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/072—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/62—Whiskers or needles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/10—Particle morphology extending in one dimension, e.g. needle-like
    • C01P2004/17—Nanostrips, nanoribbons or nanobelts, i.e. solid nanofibres with two significantly differing dimensions between 1-100 nanometer

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: essence of the invention consists in treating the heated aluminium with gaseous reactants in the form of an aluminium halide, e.g. aluminium trifluoride, and a nitrogen-containing gas and the subsequent condensation of the final product, wherein the aluminium trifluoride powder is placed in one reaction chamber with the granules of metallic aluminium and simultaneously evaporated at a temperature of 1050-1150°C, and the condensation is performed on the liquid aluminium surface.
EFFECT: invention allows to obtain aluminium nitride whiskers with an average diameter of less than 100 nm along the entire fiber length and the ratio of the fiber length to the diameter of more than 100.
4 dwg, 2 ex

Description

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.The invention relates to a chemical technology for producing aluminum compounds, and in particular to a technology for producing filiform aluminum nitride in the form of nanowhiskers, and can be used to develop effective electroluminophores for new light sources in the visible and ultraviolet ranges, as well as to create elements of nano-optoelectronics and luminescent active nanoscale sensors of biomedical profile.

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.).Due to the wide forbidden zone of 6.2 eV and the unique physicochemical properties, aluminum nitride is a promising material for optoelectronics. The most promising AlN-based structures with unique transport, electrical, luminescent and adsorption properties are whisker nanocrystals - a new class of materials for elements and sensors of modern microelectronics and multi-purpose nano-optoelectronics (V.G. Dubrovsky, G.E. Tsyrlin, V. M. Ustinov, Semiconductor whisker nanocrystals: synthesis, properties, application // Physics and Technology of Semiconductors, 2009, Volume 43, Issue 12, pp. 1585-1628; EI Givargizov. Growth of whisker and wafer crystals from pa R. M. Nauka, 1977, 304 p.).

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.Known methods for producing aluminum nitride by high-temperature (1300-1700 ° C) carbothermic reduction of pure aluminum oxide in a nitrogen atmosphere (UK application No. 2233969, IPC C01B 21/072, publ. 23.01.91 (average particle size less than 1 μm); Japan application No. 3-48123, IPC C01B 21/072, publ. 07.23.91) and crystals of aluminum nitride together with single crystals of metal fluorides (US Patent No. 4172754, IPC C01B 21/06, publ. 10.08.71). The disadvantage of such methods is that they allow you to get only fine powders or ceramic samples of AlN. AlN whiskers (nanowhiskers of aluminum nitride) cannot be obtained by such known methods using the above patent documents.

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.The patent protects a method for producing aluminum nitride fibers by sintering a mixture of an aluminum-containing compound, a polymeric organic substance, a carbon-containing and / or nitrogen-containing compound (French Application No. 2647436, IPC C04B 35/581, publ. 30.11.90). The synthesis process is carried out in a non-oxidizing inert atmosphere containing nitrogen. However, when using this known method, the fibers have a small ratio of fiber length to diameter (not more than 10-50). The synthesized A1N samples have a diameter of 100 μm to 1 mm. To obtain filamentary fibers of nanoscale diameter and with a ratio of fiber length to diameter of more than 100, the known method does not allow.

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.A method has been developed for producing needle aluminum nitride, including blowing aluminum powder heated to 950-1000 ° C with a mixture of argon and ammonia at a metered feed of the latter, which ensures the formation and growth of needle crystals of aluminum nitride on the surface of aluminum particles (Application US No. 4322395, IPC C01B 21/072. Publ. 30.03.82). However, the known technology requires monitoring the completeness of the reaction, which increases the cost of the technology. The disadvantage of this method is that the needle AlN crystals obtained in this way are contaminated with aluminum metal and lose their unique properties. The main disadvantage of this method is that to obtain filamentary fibers with a ratio of fiber length to diameter equal to 100 or more, the known method does not allow. The characteristic size of individual needles can be about 2 mm long and 0.2 mm in diameter, so the aspect ratio is 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.Whiskers - whiskers of aluminum nitride can be obtained by high-temperature (1800-2000 ° C) carbothermic reduction of pure alumina in a nitrogen atmosphere in the presence of a growth catalyst (French Application No. 0749940, IPC C01B 21/072, publ. 27.12.96). However, this method is technologically complicated and the AlN whiskers obtained by this method have a diameter in the range of 1-50 μm.

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).There is a method for producing whiskers of aluminum nitride, including the simultaneous reaction of carbothermal nitriding in the presence of a direct nitriding reaction and a gas transport reaction (US Application No. 5693305, IPC C01B 21/72, publ. 02.12.97). However, the resulting fibers have a diameter of 0.3-3 μm and a small ratio of fiber length to diameter (not more than 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.A method has been developed for producing aluminum nitride nanowires by high-temperature (1500-2200 ° C) carbothermic reduction of pure aluminum oxide in an atmosphere of nitrogen and ammonia (China Application No. 101323439, IPC C01B 21/072, publ. 12/17/08). The disadvantages of this synthesis process are its complexity and the need to use very high temperatures. The controlled diameter of the nanowires is in the range of 50-200 nm.

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.A known method of producing nanowires of aluminum nitride (Chinese Application No. 103539087, IPC C01B 21/072, publ. 01.29.14). However, in the synthesis process, silicon wafers are used with a sputtering of gold, which is used as a growth initiator, which makes the technology more expensive.

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).Filamentous aluminum nitride can be obtained by treating heated aluminum with gaseous aluminum halides supplied at a rate of 0.1-6 cm 3 / min for each 1 cm 2 of the condensation surface and nitrogen-containing gases, and the ratio between aluminum halide and nitrogen is maintained at a level of 1: (1.2-12), and the condensation is carried out on a substrate of compact polycrystalline aluminum nitride (RF patent No. 2106298, IPC C01B 21/072, publ. 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. The method provides the production of aluminum nitride in the form of fibers with a ratio of length to diameter of more than 100, but the authors do not indicate characteristic sizes. However, this method is technologically complicated.

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.Closest to the claimed is a method of producing aluminum nitride in the form of whiskers with a ratio of fiber length to diameter of more than 200-300 by passing gaseous reactants in the form of nitrogen and aluminum halides through heated aluminum with an adjustable speed of 0.1-6 cm 3 / min per each 1 cm 2 surface of condensation and subsequent condensation on a substrate of pure graphite (RF patent No. 2312061, IPC C01B 21/072, publ. 10.12.07, bull. No. 34). The disadvantage of the obtained fibers is the large diameter: the average value over the entire length of the fiber is 5-6 μm, the terminal portion of the fiber has a thickness (diameter) of 2.9 μm as described, and only the tip / tip of the fiber has a diameter of 60 nm.

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.The objective of the present invention is to develop a technology for producing aluminum nitride in the form of whiskers with an average diameter of less than 100 nm over the entire length of the fiber and the ratio of length to diameter of more than 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.The problem is solved due to the fact that in the method comprising the interaction of heated aluminum with nitrogen and aluminum (III) halides, the feed rate of which is at the level of 0.1-6.0 cm 3 / min for each 1 cm 2 of the condensation surface, the whole synthesis process is carried out in the reaction chamber, where the gaseous aluminum halide necessary for the synthesis of the filamentary fibers of aluminum nitride is supplied by evaporation of the aluminum trihalide powder from the external crucible inside the reaction chamber, and the condensate tion lead on the surface of the liquid aluminum being at a small inner crucible which in turn is located within the outer crucible within the same reaction chamber. During the synthesis process, the reaction chamber is filled with nitrogen-containing gas supplied in the required amount to the region above the liquid aluminum.

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.In FIG. 1 schematically shows the installation for implementing the proposed synthesis method, the essence of which is as follows. Inside the reaction chamber 1, aluminum trifluoride powder located in the outer crucible 2 was vaporized. Aluminum trifluoride vapor entered the inner crucible 3, filled with liquid aluminum, at a temperature of 1050-1150 ° C of the furnace heater 4, sufficient to form aluminum subhalide. Nitrogen-containing gas, for example, N 2 and NH 3 , was supplied into the interior of the reaction chamber 1 into the region above the liquid aluminum from a cylinder 5 in a ratio of 1: 1.2 and higher relative to aluminum trifluoride required by the stoichiometry of the chemical reaction.

В этом случае на поверхности жидкого алюминия идут следующие реакции:In this case, the following reactions occur on the surface of liquid aluminum:

2Al(жид)+AlF3(газ)=3AlF(газ) 2Al (liquid) + AlF 3 (gas ) = 3AlF (gas)

3AlF(газ)+N2(газ)=2AlN(тв.)+AlF3(газ) 3AlF (gas) + N 2 (gas) = 2AlN ( tv ) + AlF 3 (gas)

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).Aluminum nitride is formed in the form of whisker nanocrystals at the active centers of AlN growth that arise on the surface of liquid aluminum. At these active sites, during the synthesis process, an AlN layer of filamentary fibers is formed with an average diameter of less than 100 nm along the entire length of the fiber with a ratio of fiber length to diameter of more than 100 (Fig. 2).

Способ иллюстрируется следующими примерами выполнения.The method is illustrated by the following examples.

Пример 1. Способ получения нитевидного нитрида алюминия. Example 1. A method of producing a filiform aluminum nitride.

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.A method for producing filiform aluminum nitride includes the following procedures. The initial powder of aluminum trifluoride is evaporated from an external crucible located in the reaction chamber at a temperature of 1050 ° C; aluminum trifluoride vapor enters the inner crucible with liquid aluminum at the same temperature. Nitrogen is supplied into the space above the crucibles at a rate of about 5 times more than is necessary by reaction stoichiometry. The duration of the synthesis process was 2 hours. During this time, arrays of filamentary fibers — AlN nanowhiskers — were formed in the surface layers of liquid aluminum. The thickness of the arrays of filamentary fibers is about 1 mm. Analysis of images obtained using a Sigma VP Carl Zeiss electron microscope showed that A1N is a whisker nanocrystal with an average diameter of less than 100 nm over the entire length of the fiber and a ratio of length to diameter of more than 100 (Fig. 3). Using X-ray phase analysis on an X'PertPro MPD PANalytical diffractometer, it was found that the synthesis product is hexagonal aluminum nitride.

Пример 2. Способ получения нитевидного нитрида алюминия.Example 2. A method of producing a filiform aluminum nitride.

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.A method for producing filiform aluminum nitride includes the following procedures. The initial powder of aluminum trifluoride is evaporated from an external crucible located in the reaction chamber at a temperature of 1150 ° C; aluminum trifluoride vapor enters the inner crucible with liquid aluminum at the same temperature. Ammonia is fed into the space above the crucibles at a rate of about 5 times more than necessary by reaction stoichiometry. The duration of the synthesis process was 2 hours. During this time, an array of AlN nanowhiskers with a layer thickness of about 1 mm was formed in the surface layers of liquid aluminum. Pictures of these whisker nanocrystals obtained with a Sigma VP Carl Zeiss electron microscope are shown in FIG. 4. As can be seen from FIG. 4, AlN is a whisker nanocrystal with an average diameter of less than 100 nm over the entire length of the fiber and a ratio of length to diameter of more than 100. X-ray phase analysis of the final product on an X'PertPro MPD PANalytical diffractometer showed that the synthesized AlN nanowhiskers were obtained in the form of arrays of hexagonal nitride fibers aluminum. It was found that the average diameter of the filamentary fibers obtained by the proposed method along their entire length is 77 ± 16 nm.

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.The technical result is to expand the arsenal of known technologies for producing aluminum nitride by creating an additional method for producing filiform aluminum nitride with an average diameter of less than 100 nm over the entire length of the fiber and with a ratio of fiber length to diameter of more than 100.

Claims (1)

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.A method for producing filiform aluminum nitride, comprising treating heated aluminum with gaseous reagents in the form of aluminum halide and nitrogen-containing gas and subsequent condensation of the final product, characterized in that the aluminum halide is placed in the same reaction chamber with aluminum and evaporated simultaneously at a temperature of 1050-1150 ° C, and condensation is carried out on the surface of liquid aluminum.
RU2016102290A 2016-01-25 2016-01-25 Method for producing aluminium nitride whiskers RU2617495C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102290A RU2617495C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method for producing aluminium nitride whiskers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016102290A RU2617495C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method for producing aluminium nitride whiskers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2617495C1 true RU2617495C1 (en) 2017-04-25

Family

ID=58643096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016102290A RU2617495C1 (en) 2016-01-25 2016-01-25 Method for producing aluminium nitride whiskers

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2617495C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738328C2 (en) * 2019-04-22 2020-12-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of producing submicron crystals of aluminium nitride

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2106298C1 (en) * 1996-09-04 1998-03-10 Юрий Дмитриевич Афонин Method of manufacturing thread-like aluminum nitride
RU2312061C1 (en) * 2006-04-25 2007-12-10 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Method for preparing threadlike aluminum nitride

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2106298C1 (en) * 1996-09-04 1998-03-10 Юрий Дмитриевич Афонин Method of manufacturing thread-like aluminum nitride
RU2312061C1 (en) * 2006-04-25 2007-12-10 ГОУ ВПО "Уральский государственный технический университет - УПИ" Method for preparing threadlike aluminum nitride

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЧЕТВЕРГОВ М.В., Структурно-морфологические особенности нитрида алюминия в зависимости от условий получения, Авто диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2000, стр.3, 7, 9, 10, 14. *
ЧЕТВЕРГОВ М.В., Структурно-морфологические особенности нитрида алюминия в зависимости от условий получения, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Санкт-Петербург, 2000, стр.3, 7, 9, 10, 14. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738328C2 (en) * 2019-04-22 2020-12-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Method of producing submicron crystals of aluminium nitride

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8921980B2 (en) Aluminum nitride single crystal forming polygonal columns and a process for producing a plate-shaped aluminum nitride single crystal using the same
Xu et al. Synthesis and characterization of high purity GaN nanowires
CN1217860C (en) Method for appts for mfg oxide Nm srystal
US7521034B2 (en) 3C-SiC nanowhisker
US9353459B2 (en) Method and apparatus capable of synthesizing high-density wires in pores and on surface of porous material
Fang et al. Synthesis and photoluminescence of α-Al2O3 nanowires
US20150329360A1 (en) Growth of silicon and boron nitride nanomaterials on carbon fibers by chemical vapor deposition
JPH1179846A (en) Silicon carbide formed product
EP0186910B1 (en) Process for preparation of ceramic film
RU2617495C1 (en) Method for producing aluminium nitride whiskers
Wu et al. Controlled growth and cathodoluminescence property of ZnS nanobelts with large aspect ratio
Shi et al. Morphology-controlled synthesis of quasi-aligned AlN nanowhiskers by combustion method: Effect of NH4Cl additive
JPH11199395A (en) Production of silicon carbide single crystal
Lee et al. Efficient synthesis route to quasi-aligned and high-aspect-ratio aluminum nitride micro-and nanostructures
Wu et al. Investigation of the growth and properties of single-crystalline aluminum nitride nanowires
JPH0333005A (en) Pyrolytic boron nitride of columnar crystal form
Liu et al. The synthesis, structure and cathodoluminescence of ellipsoid-shaped ZnGa2O4 nanorods
JP2004161561A (en) Manufacturing process of boron nitride nanotube
JPS62182105A (en) Improved silicon nitride and manufacture
WO2016141579A1 (en) Method for manufacturing cvd-sic material
JP2004210562A (en) Silicon carbide nanowire or silicon nitride nanowire coated with boron nitride, and production method therefor
Mensah et al. ZnO nanosquids: Branching nanowires from nanotubes and nanorods
Liu et al. Vapor–liquid–solid meets vapor–solid growth mechanism for fabricating high quality indium nitride crystallites
RU2738328C2 (en) Method of producing submicron crystals of aluminium nitride
Ishiyama et al. Synthesis of β-FeSi2 nanowires by using silicon nanowire templates

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180126