Способ получения нанокристаллического порошка кремния

Изобретение относится к получению наноразмерного порошка кремния газофазным методом. Предложен способ получения нанокристаллического порошка кремния, включающий испарение капли расплавленного кремния в высокочастотном электромагнитном поле противоточного индуктора, в котором она находится в состоянии левитации. Унос паров кремния в зону конденсации и охлаждения обеспечивают нисходящим ламинарным потоком газа-носителя аргона. Непрерывность получения нанокристаллического порошка кремния обеспечивается восполнением испаряемой капли равномерной подачей в нее монокристаллического кремниевого стержня. Технический результат – предложенный способ позволяет получить нанокристаллический порошок кремния со средним размером частиц менее 20 нм в непрерывном режиме экологически безопасным способом и возможностью регулировать размер частиц. 3 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов, а именно к получению наноразмерных порошков кремния газофазным методом, и может быть использовано в производстве литий-ионных батареях, солнечных панелях и лакокрасочных покрытиях.

Известен способ получения чистого кремния, предложенный в патенте RU № 2327639, C01B. Сущность предлагаемого способа получение кремния высокой чистоты заключается во взаимодействии диоксида кремния с чистым кремнием при температуре 1900°C с образованием газообразного монооксида кремния. Восстановление газообразного полученного монооксида кремния до элементарного кремния ведут при температуре 2300-2500°C в среде чистого метана. Данный метод позволяет получать продукт с малым содержанием примесей и высоким выходом.

Данное техническое решение не позволяет получать наноразмерный порошок кремния. Также проведение реакций при высоких температурах в среде чистого метана усложняет аппаратное оформление и приводит к повышенной взрывоопасности.

Известен способ получения порошков кремния разложением силана, при воздействии на него излучения СО2 лазера в газодинамическом реакторе (US 2013/0189161). В данном способе с помощью специального сопла формируют газовую струю силана в реакторе, лазерный луч фокусируют в пятно диаметром 2 мм под соплом на расстоянии 1 мм. Луч лазера расположен перпендикулярно по отношению к оси струе силана. Готовый порошок собирают фильтром в конце реакционной камеры. Данный способ позволяет получать наночастицы кремния размером 10 нм или меньше, с производительностью около 80 мг/ч. Структура наноразмерных порошков кремния зависит от соотношения скоростей потоков силана и аргона и от температуры, при которой проходит синтез.

Главным недостатком является низкий выход порошков нанокристаллической структуры, максимально описанный в патенте составляет 0,7 г/ч. Также использование в качестве предшественника кремния моносилана, который является взрывоопасным, делает данный способ потенциально опасным в производстве.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является решение, предложенное в патенте RU № 2359906, C01B (прототип). В данном изобретении кремний подается в поток плазмообразующего газа под давлением 1,5-2 атм с постоянной скоростью, затем кремний испаряется в плазме СВЧ-разряда при температуре 4000-6000°C, после с помощью газообразного хладогента атомный пар конденсируется и собирается на специальном фильтре. Таким образом исходный кремний преобразуется в нанодисперсный порошок с кристаллической структурой. Данный способ позволяет получать нанокристаллический кремний размера 2-30 нм с выходом более 50%, остальной порошок представлен фракцией с размером частиц до 100 нм при скорости подачи кремниевого порошка 1 г/мин, что свидетельствует о плохой монодисперсности получаемого продукта.

Данный способ обладает рядом недостатков, которые вызывают трудности для его применения в промышленности. Одним из таких недостатков является размер исходного порошка кремния, он не должен превышать 20 мкм. Получить такой размер можно, использовав длительный механический размол, что обуславливает большую вероятность внесения загрязнений в исходное высокочистое сырье. Другим недостатком является то, что полученные частицы имеют большой разброс по размерам и данный способ не позволяет управлять размерами получаемых частиц кремния.

Технической задачей заявляемого изобретения является получение нанокристаллического порошка кремния со средним размером частиц менее 20 нм в непрерывном режиме экологически безопасным способом с высокой производительностью и возможностью регулировать средний размер частиц.

Поставленная задача решается путем разработки способа получения нанокристаллического порошка кремния в реакторе с вертикальной ориентацией, в пространство которого помещают противоточный индуктор под которым устанавливают омический нагреватель, сверху в область нагревателя опускают монокристаллический кремниевый стержень с затравкой на конце в виде шара и производят предварительный нагрев кремния для увеличения его электропроводимости, затем предварительно разогретую затравку помещают в высокочастотное поле противоточного индуктора и нагревают кремний в высокочастотном электромагнитном поле до температуры плавления, расплавленную каплю подвешивают в состоянии левитации между витками противоточного индуктора и испаряют в замкнутом непрерывном ламинарном потоке газа-носителя. Унос атомного пара в зону конденсации, затем в зону охлаждения с последующим сбором на фильтре обеспечивают тем же потоком газа-носителя. Восполнение испаряемой капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня.

Схема осуществления предлагаемого способа получения нанокристаллического порошка кремния приведена на фиг1. В круглый реактор 1, изготовленный из кварцевой трубки или другого диэлектрического материала помещают монокристаллический кремниевый стержень 2 с затравкой на конце в виде шара таким образом, чтобы затравка была в области омического нагревателя 3. Нагревателем 3 предварительно нагревают затравку до 700-900°C, затем разогретую затравку помещают в область высокочастотного 440 кГц электромагнитного поля противоточного индуктора 4 и нагревают до температуры плавления. На конце стержня 2 получают каплю 5 расплавленного кремния. Полученную каплю 5 подвешивают в область между витками индуктора 4 в состоянии бесконтактной левитации за счет уравновешивания сил, действующих на нее, и обеспечивают беспрерывное испарение кремния. Нисходящим ламинарным потоком газа-носителя 6, осуществляют унос паров в область конденсации 7 и охлаждения 8. Охлажденные нанокристаллические частицы кремния улавливают фильтром. Восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня сверху, в качестве газа-носителя и газа-охладителя используют инертный газ аргон. Абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 10⁵ - 5*10⁴ Па, расход газа-носителя аргона составляет 0,3 -1,2 м³/ч., непрерывную равномерную подачу монокристаллического кремниевого стержня в каплю осуществляют со скоростью 3 -5 г/ч. При других условиях осуществления процесса технический результат не достигается

Осуществление заявляемого способа получения нанокристаллического порошка кремния поясняется следующими фигурами.

Фиг1. - схема устройства для предлагаемого способа получения нанокристаллического порошка кремния, где 1 - реактор, 2 - монокристаллический кремниевый стержень, 3 - омический нагреватель, 4 - противоточный индуктор, 5 - капля расплавленного кремния, 6 - ламинарный поток газа-носителя, 7 - область конденсации, 8 - область охлаждения.

Фиг.2 - изображение, полученное посредством сканирующей электронной микроскопии полученных нанокристаллических частиц кремния,

Фиг.3. - распределение нанокристаллических частиц кремния по размерам.

Достижение технического результата подтверждается следующим примерами:

Пример 1.

При осуществление заявляемого способа восполнение капли ведут со скоростью введения монокристаллического кремниевого стержня в каплю равной 3 г/ч. В качестве газа-носителя используют аргон, абсолютное давление в зоне кварцевой трубки поддерживают равным 10⁵ Па, а расход газа-носителя поддерживают равным 1,2 м³/ч.

Полученный продукт представляет собой нанокристаллический порошок кремния в свободно-насыпном виде со средним размером частиц <D> = 8 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составляет 98 % от скорости восполнения капали. Характеристики нанопорошка кремния, полученного в условиях Примера 1, представлены на фиг. 2.

Пример 2.

Заявляемый способ ведут в условиях Примера 1, но скорость подачи кремниевого стержня составляет 5 г/ч, а расход газа носителя поддерживают равный 0,3 м³/ч.

Полученный продукт представляет собой нанокристаллический порошок частиц кремния в свободно-насыпном виде со средним размером <D> = 16 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составил 96 % от скорости восполнения капали.

Пример 2 демонстрирует возможность регулирования получаемых частиц кремния изменяя скорость ввода кремниевого стержня и расходом газа-носителя.

Пример 3.

Заявляемый способ ведут в условиях Примера 1, но абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 5*10⁴ Па. Полученный продукт в условиях Примера 3 представляет собой нанокристаллический порошок частиц кремния в свободно-насыпном виде со средним размером <D> = 4 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составил 97 % от скорости восполнения капали.

Пример 3 демонстрирует, что регулировать размер получаемых частиц кремния можно изменением давления в зоне реактора.

Из приведенных примеров видно, что разработанный способ позволяет регулировать размер получаемых нанокристаллических частиц кремния и является экологически безопасным, так как при получении нанокристаллических частиц кремния не образуются вредные химические соединения. При этом выход нанокристаллического порошка кремния выше, чем известно из других технических решений.

Способ получения нанокристаллического порошка кремния, включающий испарение кремния и конденсацию в наночастицы кристаллической структуры с последующим охлаждением, отличающийся тем, что испарение ведут из предварительно нагретой до 700-900 °C, затем расплавленной капли кремния, подвешенной в высокочастотном 440 кГц электромагнитном поле противоточного индуктора, унос паров кремния в зону конденсации и охлаждения осуществляют нисходящим ламинарным потоком газа-носителя аргон, абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 10⁵ – 5•10⁴ Па, расход газа-носителя аргона составляет 0,3 -1,2 м³/ч., восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня со скоростью 3 -5 г/ч.