Способ получения сульфида галлия (ii)

Изобретение относится к получению сульфида галлия (II), являющегося перспективным материалом для полупроводниковой оптоэлектронной техники и инфракрасной оптики. Способ получения сульфида галлия (II) включает двухтемпературный химический синтез в замкнутом объеме из элементарных галлия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении. Расплав галлия при этом имеет температуру 1050-1100°С, а расплав серы - 300-350°С. Синтез проводят в вакууме в присутствии ультрафиолетового излучения. Изобретение позволяет получить однофазный продукт GaS без использования взрывоопасного водорода. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к получению сульфида галлия (II), являющегося перспективным материалом для полупроводниковой оптоэлектронной техники и инфракрасной оптики.

Известен способ получения сульфида галлия (II) [Колесников Н.Н., Борисенко Д.Н., Борисенко Е.Б., Тимонина А.В. // Патент РФ №2623414 от 26.06.2017 Бюл. № 18] - прототип, в котором химическую реакцию Ga+S=GaS проводили в атмосфере водорода при давлении 1300-2600 Па, причем расплав галлия имел температуру T_Ga=1050-1100°С, расплав серы - температуру T_S=300-350°С. Время синтеза сульфида галлия (II) с момента выхода печи на заданную температуру занимало около 30 минут при общей массе загрузки Ga+S равной 100 г. Процесс синтеза протекал полностью: элементарных галлия и серы, а также побочных продуктов синтеза (высших сульфидов галлия) по данным рентгенофазового анализа не обнаружено. С термодинамической точки зрения химическая реакция Ga+S=GaS должна протекать самопроизвольно(ΔG<0), и несмотря на то что вследствие большой энергии активации реакция начинается при Т>1000°С, тем не менее, начавшись, синтез в отсутствие катализатора (водорода) быстро прекращается даже при более высоких температурах вплоть до 1300°С, когда кварцевая ампула уже теряет свою механическую прочность. Поэтому в дальнейших поисках наиболее оптимальных условий получения сульфида галлия (II) кинетический фактор следует рассматривать как наиболее значимый. Существенным недостатком способа-прототипа являются технические сложности, возникающие при работе с водородом по причине его высокого химического сродства к кислороду, а также повышенным требованиям к классу взрывоопасности помещения и оборудования.

Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка способа получения сульфида галлия (II) из элементарных галлия и серы в условиях пригодных для промышленного применения с образованием однофазного продукта без использования катализатора (водорода).

Эта задача решается за счет того, что синтез GaS проводят в вакуумированной (р≤1,33 Па) кварцевой ампуле из элементарных галлия 99,9999 % (масс.) и серы 99,9999 % (масс.), взятых в стехиометрическом соотношении. Для улучшения кинетики химической реакции кварцевую ампулу с загрузкой галлия и серы на протяжении всего процесса дополнительно облучают ультрафиолетовым излучением. Во время синтеза галлий покрывается слоем конгруэнтно плавящегося GaS, который является кинетическим экраном для олигомеров серы и пассивирует поверхность жидкого металла. Энергия диссоциации молекулы первого олигомера (димера) - сульфида серы - равна D=4,37 эВ [Б.М. Смирнов, А.С. Яценко. // Успехи физических наук. - 1996. - Т. 199. - № 3. - С. 225-245]. С точки зрения квантовой электродинамики (D=h⋅c⋅λ^-1, где h - постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны падающего излучения) для разрушения химической связи в молекуле S=S и получения атомарной серы требуется квант света с длиной волны λ≤284 нм. Этому диапазону длин волн удовлетворяет «дальний ультрафиолет» (по стандарту ISO-DIS-21348).

Пример. Навески элементарных галлия 99,9999 % (масс.) и серы 99,9999 % (масс), взятых в стехиометрическом соотношении общей массой 100 г, загружали в кварцевую ампулу, вакуумировали до давления р≤1,33 Па и запаивали. Ампулу помещали в горизонтальную трубчатую печь таким образом, чтобы расплав галлия имел температуру T_Ga=1050-1100°С, расплав серы - T_S=300-350°С. Во время синтеза ампулу облучали мощным источником ультрафиолетового излучения в качестве которого выступала разрядная лампа высокого давления ДРТ-240, лучистый поток которой в диапазоне длин волн 240-320 нм равен 24,6 Вт. Синтез сульфида галлия (II) завершался через 60 минут. По данным рент-генофазового анализа, представленным на Фиг. 1, побочных примесей: высших сульфидов галлия, а также элементарных галлия и серы в ампуле не обнаружено. Преимуществом предлагаемого способа синтеза сульфида галлия является возможность промышленного применения с образованием однофазного продукта без использования катализатора (водорода).

Способ получения сульфида галлия (II), включающий двухтемпературный химический синтез в замкнутом объеме из элементарных галлия и серы, взятых в стехиометрическом соотношении, при котором расплав галлия имеет температуру 1050-1100°С, а расплав серы - 300-350°С, отличающийся тем, что синтез проводят в вакууме в присутствии ультрафиолетового излучения.