Способ получения нитевидного нитрида алюминия

 

Изобретение относится к химической технологии получения соединений алюминия. Сущность изобретения заключается в обработке нагретого алюминия газообразными галогендиами алюминия, подаваемыми со скоростью 0,1-6,0 см³/мин на каждый 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. Способ обеспечивает получение нитрида алюминия в виде волокон с соотношением длины к диаметру более 100.

Изобретение относится к химической технологии получения неорганических веществ, в частности нитрида алюминия.

Нитрид алюминия - вещество с уникальным сочетанием свойств, а именно высокой теплопроводностью и одновременно высоким электросопротивлением, что обеспечивает его успешное применение в микроэлектронике [1].

Известен целый ряд способов получения нитрида алюминия. Вещество получают высокотемпературным (1300 - 1700^oC) карботермическим восстановлением чистого оксида алюминия в атмосфере азота [2-4], нитрированием мелкодисперсного алюминиевого порошка при 600 - 800^oC в атмосфере азота и/или аммиака [5] , обработкой расплавленного алюминия в нейтральной атмосфере азотом при 1600 - 2300^oC [6], высокотемпературным нитрированием металлического алюминия или его галогенида в условиях электрического разряда или плазмы [7-9], контактированием восстанавливающегося оксида или соли алюминия при 450 - 1200^oC в среде расплавленных галогенидных солей щелочных или щелочноземельных металлов [10] . Монокристаллы нитрида алюминия получают совместно с монокристаллами фторидов металлов за счет реагирования на инертной поверхности нитрирующего агента и соединения алюминия, имеющего валентность ниже (III), причем это соединение предварительно получают реакцией газообразного фторида алюминия низшей валентности (субфторида) с парами металла [11].

Получаемый вышеописанными способами нитрид алюминия представляет из себя порошок высокой дисперстности - менее 40 мкм, что требует, во-первых, специального оборудования для отделения его от газовой фазы, и, во-вторых, достаточно сложной технологии изготовления изделий из такого порошка.

Меньшие трудности в отделении и переработке нитрида алюминия возникают в случае получения его в виде нитевидных, игольчатых кристаллов. В частности, известна технология получения волокон нитрида алюминия спеканием смеси алюминийсодержащего соединения, полимерного органического вещества, углеродсодержащего соединения и/или азотсодержащего соединения. Процесс ведут в неокислительной атмосфере, содержащей азот [12].

Наиболее близким к заявляемому является способ получения игольчатого нитрида алюминия, включающий продувку нагретой до 950 - 1000^oC алюминиевой пудры смесью аргона и аммиака при дозированной подаче последней, что обеспечивает образование и рост игольчатых кристаллов нитрида алюминия на поверхности алюминиевых частиц [13]. Недостатками данной технологии является необходимость контроля полноты протекания реакции и получение продукта, загрязненного металлическим алюминием.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии и повышение чистоты нитевидного нитрида алюминия.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе, включающем обработку нагретого алюминия азотсодержащим реагентом, подаваемым в зону реакции с регулируемой скоростью, с образованием в газовой фазе и последующей конденсацией нитрида алюминия, алюминий одновременно обрабатывают газообразным галогенидом алюминия, подаваемым со скоростью 0,1 - 6,0 см³/мин на каждый см² поверхности конденсации при объемном соотношении галогенида алюминия и азота 1 : (1,2 - 12), а конденсацию ведут на подложке из компактного поликристаллического нитрида алюминия.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.

Галогенид алюминия, например AlCl₃, AlF₃, испаряли в отдельном реакторе, пары подавали в ванну жидкого алюминия при температуре достаточной для образования субгалогенида алюминия, например AlCl, AlF, или выше. Газообразный субгалогенид поступает в пространство над ванной жидкого алюминия и подложкой из поликристаллического компактного нитрида алюминия. В это же пространство подают азот в соотношении 1: 1,2 и выше относительно галогенида алюминия. На поверхности подложки идет реакция 3AlГ + N₂ = 2AlN + AlГ₃, где Г - галогенид алюминия. Нитрид алюминия образуется в виде нитевидных кристаллов на активных центрах подложки. С течением времени формируется слой нитрида алюминия в виде войлока или ваты из нитевидных кристаллов с соотношением диаметра к длине выше 100. Галогенид алюминия током избыточного азота выносится из зоны реакции.

Способ иллюстрируется следующими примерами выполнения.

Пример 1. Трихлорид алюминия испаряли при температуре 195^oC, пары подавали в ванну жидкого алюминия при температуре 1150^oC. Над поверхностью ванны устанавливали диск из поликристаллического нитрида алюминия диаметром 45 мм. Расход трихлорида составлял 15 см³/мин. В пространство между поверхностью ванны и диском подавали азот со скоростью 22 см³/мин. Продолжительность опыта составляла 2 ч. На поверхности диска сформировался слой в виде войлока или ваты толщиной 5 мм. Рентгенофазовый анализ показал, что слой состоит из нитрида алюминия. Металлографическим анализом установлено, что нитрид алюминия представляет собой нитевидные кристаллы с соотношением диаметра к длине выше 100.

Пример 2. Трифторид алюминия испаряли при температуре 1270^oC, пары подавали в ванну жидкого алюминия при температуре 1250^oC. Над поверхностью ванны устанавливали диск из поликристаллического нитрида алюминия диаметром 45 мм. Расход трифторида составлял 6 см³/мин. В пространство между поверхностью ванны и диском подавали азот со скоростью 22 см³/мин. Продолжительность опыта составляла 3,5 ч. На поверхности диска сформировался слой в виде войлока или ваты толщиной 1,3 мм. Рентгенофазовый анализ показал, что слой состоит из нитрида алюминия. Металлографическим анализом установлено, что нитрид алюминия представляет собой нитевидные кристаллы с соотношением диаметра к длине выше 100.

Результаты опытов подтверждают воспроизводимость заявляемого способа и решение поставленной задачи.

Литература.

1. Т.Я. Косолапова, Т.В. Андреева, Т.Б. Бортницкая и др. Неметаллические тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1985.

2. Заявка Японии N59-51483, кл. C 01 B 21/072, опубл. 14.12.84.

3. Заявка Великобритании N 2233969, кл. C 01 B 21/072, опубл. 23.01.91.

4. Заявка Японии N 3-48123, кл. C 01 B 21/072, опубл. 23.07.91.

5. Заявка ФРГ N 3641754, кл. C 01 B 21/072, H 01 B 3/10, опубл. 16.06.88.

6. Заявка Великобритании N 2127709, кл. C 01 B 21/072, B 01 J 10/00, опубл. 18.04.84.

7. Заявка Японии N 2-43683, кл. C 01 B 21/06, B 01 J 19/08, опубл. 01.10.90.

8. Европейская заявка N 0401972, кл. C 01 B 21/06, 21/064, 21/068, 21/076, опубл. 12.12.90.

9. Авторское свидетельство СССР N 1675201, кл. C 01 B 21/06, опубл. 07.09.91.

10. Патент США N 3450499, кл. C 01 B 21/06, опубл. 17.06.69.

11. Патент США N 4172754, кл. C 01 B 21/06, опубл. 10.08.71.

12. 3аявка Франции N 2647436, кл. C 04 B 35/58, опубл. 30.11.90.

13. Патент США N 4322395, кл. C 01 B 21/072, опубл. 30.03.82.

Формула изобретения

Способ получения нитевидного нитрида алюминия, включающий пропускание через нагретый алюминий газообразных реагентов с регулируемой скоростью и последующую конденсацию конечного продукта, отличающийся тем, что в качестве газообразных реагентов используют галогениды алюминия (III) и азот, скорость подачи галогенида алюминия (III) поддерживают на уровне 0,1 - 6,0 см³/мин на каждый 1 см² поверхности конденсации, а конденсацию ведут на подложке из компактного поликристаллического нитрида алюминия.