Способ получения бинарного химического соединения на твердой поверхности

 

Изобретение относится к получению различных соединений на твердой поверхности. Сущность изобретения: поверхность твердого тела, размещенного в герметичном вакуумированном объеме, заполненном газовой фазой участвующих в реакции компонентов, облучают потоком фотонов с частотой, соответствующей спектральной линии по крайней мере одного из компонентов. При этом энергия фотонов должна быть не менее энергии активации реакции образования бинарного химического соединения. Плотность мощности излучения определяется из математического выражения.

Изобретение относится к физической химии, изучающей процессы, обусловленные действием излучения (с частотами видимого спектра и близкими к ним) на вещество и может быть использовано при получении различных новых соединений на твердой поверхности, повышении производительности существующих методов получения т.д.

Известен фотохимический способ получения бинарного химического соединения (БХС) в объеме, например, бромистого водорода, основанный на том, что газовую смесь из реагентов водорода и брома освещают излучением с длиной волны более 5000 . Скорость образования химического соединения увеличивается в 500 раз по сравнению с темновой (без подсветки) реакции [1] Недостаток ограниченное количество возможных реакций, протекающих в объеме под действием света, которые можно было бы использовать для образования БХС как такового и осуществлять осаждение БХС на твердую поверхность, например в виде пленки, покрытия и т.п.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения БХС, например ALN-нитрида алюминия, в виде пленки, основанный на испарении порошка ALN в камере и осаждении продуктов испарения на твердой поверхности подложке (стекло, кремний) при давлении азота в камере от 5˙10^-4 до 1 Па при активирующем воздействии газовой среды с помощью УФ-излучения. В качестве источника УФ-излучения используется парортутная лампа ПРК-2 [2] Недостаток низкая производительность способа получения БХС, а именно ALN, на твердой поверхности подложке, не более 30 /мин (Степанов И.В. Кутолин С.А. Тепман Г.П. Информационно-справочный листок МЗП, N 000380, 1968). Нестехиометричность фазового состава полученного соединения из-за наличия в соединении до 15-20% избыточного алюминия.

Решаемая предлагаемым изобретением задача заключается в возможности получения различных БХС на твердой поверхности подложке, например, в чистом виде самого БХС, в виде пленок, покрытий и т.п. повышении производительности существующих методов получения и обеспечения стехиометричности БХС.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что твердую поверхность подложку размещают в герметичном объеме, объем вакуумируют, заполняют в газообразном состоянии компонентами, содержащими элементы БХС, которые не взаимодействуют между собой в нормальных условиях, в процессе осаждения действуют на твердую поверхность подложку излучением с частотой ν_i c^-1, соответствующей спектральной линии хотя бы одного из компонентов БХС, при котором величина энергии фотонов h ν_i эВ не менее энергии активации реакции образования БХС и плотностью мощности Q, Вт/м², определяемой неравенством вида (отдельные значения, используемых величин могут быть взяты из справочной литературы) Q ≥ Σ где W скорость роста БХС стехиометрического состава, м^-2с^-1; ρ плотность БХС, кг/м³; N_A -число Авогадро; М молярная масса БХС, кг/моль; h постоянная Планка; ν_i коэффициент пропорциональности, характеризующий квантовый выход реакции с участием фотонов с энергией h ν_i для данного ХС (определяется в тарировочных экспериментах);
n число атомов возбужденного компонента в одной молекуле БХС.

Указанная сущность вытекает из следующих физико-химических закономерностей. Известно, что для образования молекулы химического соединения необходимо выполнение ряда условий: столкновение молекул (атомов) реагирующих компонентов; энергия сталкивающихся молекул (атомов) должна превышать энергию активации данной химической реакции. Кроме того, известно, что свободные атомы и молекулы в газообразном состоянии имеют систему дискретных энергетических уровней, определяющих погощение излучения на спектральных линиях, соответствующих данным атомам и молекулам. При поглощении данного излучения атомы или молекулы переходят в возбужденное состояние, обладающее по сравнению с основным состоянием большей энергией (на величину энергии поглощенного фотона). В свою очередь конденсация вещества на твердой поверхности включает в себя следующие стадии: адсорбция молекул или атомов, их миграция по поверхности, образование зародышей конденсированной фазы и их коалесценция. При наличии в газовой фазе молекул и атомов, участвующих в реакции компонентов указанные частицы в адсорбированном состоянии, мигрируя по поверхности, могут сталкиваться между собой, что обеспечивает выполнение первого условия протекания химической реакции. Энергию активации адсорбированные частицы могут получать за счет поглощения фотонов резонансного излучения, соответствующего спектральной линии компонента. Как показывает эксперимент, адсорбированные частицы на стадии, предшествующей образованию зародышей конденсированной фазы, сохраняют способность поглощать резонансное излучение.

Рассмотренные особенности поведения атомов и молекул адсорбционные явления, фотовозбуждение вытекают из природы строения вещества и свойственны для любых химических веществ. Отсюда следует что предлагаемое изобретение может быть использовано для получения практически всех БХС. При этом воздействие на твердую поверхность излучением частотой, соответствующей спектральной линии хотя бы одного из компонентов БХС, при которой энергия фотонов не менее энергии активации реакции образования БХС, определяет необходимые условия протекания реакции образования БХС стехиометрического состава, повышения производительности. А уровень плотности мощности излучения, определяемый согласно предлагаемому в изобретении неравенству, позволяет регулировать скорость процесса образования БХС на твердой поверхности, повышая производительность способа, и управлять стехиометрией фазового состава БХС.

Обозначенный технический результат может быть достигнут только при соблюдении всех существенных отличительных и ограничительных признаков предложенного способа получения БХС на твердой поверхности.

Осуществление способа получения ХС на твердой поверхности, например, ALN, в виде покрытия реализуется в следующей последовательности. В рабочей камере вакуумного поста ВУП-4 размещается тигель с порошком ALN (диссоциирующего при нагреве) и над ним устанавливается стеклянная подложка на расстоянии 5 см (из конструктивных соображений). Камеру вакуумируют до остаточного давления не выше 10^-4 Па и напускают азот высокой чистоты (99,9% ) до давления 10^-2-10^-1 Па. Нагревают тигель с ALN, на поверхность подложки действуют излучением, имеющим на длине волны 396 нм (т.е. при частоте 7,5˙10¹⁴с^-1, что соответствует энергии фотонов 3,14 эВ, плотность мощности 5˙10^-3 Вт/см². Энергии фотонов 3,14 эВ уже достаточно для получения покрытия из ALN. В качестве источника излучения используется ксеноновая лампа высокого давления типа ДКСР-10000. Получаемая при этом скорость образования покрытия (толщина 1 мкм) составляет 1000 /мин. Анализ показывает, что количество атомов азота и алюминия в пленке находится в стехиометрическом отношении ( ≈1).

Аналогичная последовательность действий имеет место при получении ALN в виде покрытия при испарении чистого алюминия, размещенного в тигле, а именно: при испарении алюминия в среде азота (условия по давлению газа в камере прежние) и одновременном воздействии на твердую поверхность подложку излучением с энергией фотонов 3˙14 эВ с плотностью мощности 3,5˙10^-3 Вт/см² скорость образования покрытия ALN составляет 700 ангстрем/мин.

Для получения покрытия из нитрида кремния предлагаемый способ реализуется в следующей последовательности. В тигель загружается порошок или керамика из нитрида кремния (при нагреве материал диссоциирует). В рабочей камере условия по давлению газа прежние. Тигель нагревается и на твердую поверхность подложку действуют излучением, имеющим на длине волны 300,2 нм (т.е. при частоте 9,99˙10¹⁴ с^-1, что соответствует энергии 4,13 эВ) плотность мощности 1,5˙10^-4 Вт/см². Скорость образования покрытия из нитрида кремния составляет 600 ангстрем/мин.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом предлагаемый способ получения бинарного химического соединения на твердой поверхности обеспечивает: во-первых, образование самого бинарного химического соединения, во-вторых, повышение производительности процесса его образования в десятки раз, в-третьих, стехиометричность состава получаемого бинарного химического соединения.

Справедливость физико-химических закономерностей позволяет утверждать, что с помощью предлагаемого способа могут быть получены БХС из практически любых химических компонентов. При этом существенно будет расширен класс известных уже фотохимических реакций.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИНАРНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ НА ТВЕРДОЙ ПОВЕРХНОСТИ, включающий создание газовой фазы участвующих в реакции химических компонентов в герметичном вакуумированном объеме и осаждение продуктов реакции на твердой поверхности, размещенной в этом объеме, отличающийся тем, что в процессе осаждения из газовой фазы участвующих в реакции компонентов твердую поверхность облучают потоком фотонов с частотой, соответствующей спектральной линии по крайней мере одного из компонентов, при которой энергия фотонов не менее энергии активации реакции образования бинарного химического соединения, при этом плотность мощности излучения, падающего на твердую поверхность, определяется неравенством

где W скорость роста бинарного химического соединения стенометрического состава, м^-1 с^-1;
ρ плотность бинарного химического соединения, кг/м³;
N_А число Авогадро,
M молярная масса бинарного химического соединения, кг/моль;
h постоянная Планка;
n_i- частота (с^-1);
γ_i- коэффициент пропорциональности, характеризующий квантовый выход реакции с участием фотонов с энергией для данного химического соединения (определяется экспериментально);
n число атомов возбужденного компонента в одной молекуле бинарного химического соединения.