Нитрид бора и его физико-химические свойства
Другие рефераты
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ:
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НИТРИДА БОРА (куб.)
3. СВОЙСТВА БОРАЗОНА
4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.
6. ПРИМЕНЕНИЕ БОРАЗОНА.
7. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ.
8. ВЫВОДЫ.
9. ЛИТЕРАТУРА.
ВВЕДЕНИЕ:
Группа полупроводниковых соединений типа AIIIBV на основе бора -
одна из наименее изученных среди полупроводниковых соединений с
алмазоподобной структурой.
Однако эти соединения представляют большой интерес из-за их высокой
химической стойкости, большой ширины запрещённой зоны и других
специфических свойств.
Эти свойства обусловлены особым положением бора в периодической
системе.
Бор принадлежит к тем элементам второго ряда периодической системы,
атомы которых характеризуются наиболее прочными связями. Бор – проводник
весьма тугоплавкий (~23000С) и твёрдый (~3000кг/мм2).Всё это даёт основание
полагать, что, соединения типа AIIIBV на основе бора будут обладать
интересными свойствами.
Общая характеристика
кубического нитрида бора (боразона)BN.
Нитрид бора BN-электронный аналог углерода. Как химическое соединение он
известен уже свыше 100 лет. Различные способы позволяют получать нитрид
бора в гексагональной структуре, имеющей очень большое сходство со
структурой графита. Это позволяет предполагать, что возможна кристаллизация
нитрида бора и в другой структуре, сходной со структурой второй модификации
углерода- алмаза.
Первые сведения о получении кубической модификации BN были
опубликованы в 1957г.
Причина такого «запоздалого» получения кубического нитрида бора
становится ясной, если попытаться распространить аналогию между углеродом и
нитридом бора на физико-химические свойства этих материалов. Алмаз
термодинамически устойчив лишь при сверхвысоких давлениях. В отсутствии
сверхвысоких давлений стабильной формой существования углерода является
гексагональная модификация этого вещества - графит. Поэтому можно было
ожидать, что и в случае нитрида бора стабильной фазой при относительно
невысоких давлениях будет гексагональная форма BN, а получение кубической
модификации этого соединения потребует использование техники сверхвысоких
давлений. Неудивительно поэтому, что получение кубического нитрида бора
стало возможно лишь во второй половине 50-х годов, когда техника
сверхвысоких давлений развилась настолько, что позволила получать давления
в сотни тысяч атмосфер при температурах в несколько тысяч градусов.
Необходимость создания высоких температур для осуществления
аллотропического перехода гексагонального нитрида бора в кубический, так же
как и в случае перехода, графит – алмаз, связана с тем, что при
относительно низких температурах такой переход «заморожен», то есть
протекает с настолько малой скоростью, что практически невозможен.
Приведённые выше теоретические соображения были подтверждены главным
образом в работах Венторфа. Автору удалось, используя технику
сверхвысоких давлений, получить нитрид бора BN в структуре цинковой
обманки. Этот кубический нитрид бора получил название «боразон».
Основные методы получения боразона
(кубического нитрида бора).
Описанные в литературе методы получения кубического нитрида бора
можно разделить на три группы. Первая группа включает металлы, в которых
также используют сверхвысокое давление и аллотропический переход в
присутствии катализаторов.
BN (гексаг.) > BN (куб.)
Ко второй группе относятся металлы, в которых также используют
сверхвысокое давление, однако в основе их лежит не аллотропическое
превращение нитрида бора, а определённая химическая реакция.
Наконец третья группа – получение кубического нитрида бора при явлениях,
близких к нормальному.
Высокое давление, необходимое для реализации двух первых методов,
создают с помощью аппаратуры, которую применяют для получения искусственных
алмазов. Образец, состоящий из исходного продукта и добавленного к нему
катализатора, нагревают с помощью тока, проходящего по нагревательной
трубке из графита, тантала и др., расположенной в реакционной камере.
Реакционный сосуд, помещаемый в камеру высокого давления, приведён
на рис. 1. Сосуд имеет высоту 11,5 мм и диаметр ~ 9 мм.
С помощью такой техники возможны процессы при давлениях в 100.000
атм. И температуре до 25000С
[pic]
Схема блока, загружаемого в камеру высокого давления.
1- диск из тантала или титана;
2- нагревательная трубка;
3- куски «катализатора»;
4- гексагональный нитрид бора;
5- изолирующий пирофиллит.
Процесс аллотропического превращения ВN(гексаг.) > BN(куб.)
заключается в выдерживании гексагонального нитрида бора (с добавкой
катализатора) при высоких температурах и давлениях. Постепенно температуру
уменьшают до «замораживания» превращения, после чего давление понижается до
атмосферного.
Получение исходного продукта – гексагонального нитрида бора – не
представляет особых трудностей.
Естественно, что в первых опытах по получению боразона, Венторф пытался
облегчить аллотропическое превращение BN(гексаг.) > BN(куб.)
Процесс аллотропического превращения BN (гекс.) > BN (куб.)
заключается в выдерживании гексагонального нитрида бора ( с добавкой
катализатора ) при высоких температурах и давлениях. Постепенно температуру
уменьшают до ’’замораживания’’ превращения, после чего давление понижается
до атмосферного.
Получение исходного продукта гексанального нитрида бора – не
предоставляет особых трудностей.
Естественно, что в первых опытах по получению боразона Венторф пытался
облегчить аллотропическое превращение BN (гекс.) > BN (куб.), используя в
качестве ’’катализирующих добавок’’ переходные металлы (железо, никель,
марганец), т.е. те ’’катализаторы,’’? которые оказались эффективными в
случае превращения графит > алмаз.
Однако даже при давлении в 100000 атм. И температурах более 2000 ?С
кубическая форма BN не была обнаружена.
Единственным результатом являлось некоторое укрупнение кристаллов
исходного нитрида бора (от 5 до 20 мик.).
Неудачная попытка использовать переходные металлы в качестве
’’катализирующих добавок’’ заставила Венторфа заняться поисками подходящих
’’катализаторов’’.
Ими оказались щелочные и щелочноземельные металлы, а также сурьма,
олово и свинец. Использование других элементов не дало положительных
результатов.
Найденные ’’катализаторы’’ имели различную эффективность, благо чему в
зависимости от применения того или иного из них удавалось осуществлять
переход BN (гекс.) > BN (куб.) при различных давлениях(50000-90000 атм.) и
температурах (1500-2000 ?С). Было отмечено, что необходимо для
аллотропического превращения давления и температуры возрастают с
увеличением атомного веса используемого ’’катализаторы’’. Так, для того
чтобы осуществить превращение BN (гекс.) > BN (куб.) с использованием в
качестве ’’катализаторов’’ калия или бария необходимо было минимальное
давление 70000 атм.
При небольшом понижении давления боразон не образовался, хотя
указанные металлы реагировали с гексагональным нитридом бора и
диффундировали в него. С другой стороны, при использовании в качестве
’’катализаторов’’ более легких металлов – магния, кальция или лития – уже
при давлении в 45000 атм. Наблюдалось образование кубического нитрида бора,
причем процесс характеризовался высоким выхлопом этого продукта.
Отмечено также, что эффективность применения ’’катализатора’’ сильно
падала в присутствии некоторых процентов воды, борного антифриза и других
примесей.
Проведенные исследования позволяют утверждать, что нитрид бора, так же
как и углерод, может устойчиво существовать в гексагональной и кубической
формах.
Область устойчивого существования боразона лежит при высоких давления
и отделена от области гексагонального нитрида бора пограничной линией,
соответствующая равновесному существовании обеих кристаллических
модификаций нитрида бора. Указанная пограничная линия, так же как и в
случае углерода, проходит не параллельно от абсцисс (оси температур), а
образует некоторый угол с ней, так что с ростом температуры требуются более
высокие давления для того, чтобы переход BN (гекс.) > BN (куб.) оказался
возможным.
Сравнение этой пограничной линии с соответствующе линий системы
углерода показывают, что при данной температуре переход BN (гекс.) > BN
(куб.) наблюдается при более низком давлении, чем переход графит > алмаз.
[pic]
Рис 2. Фазовая диаграмма углерода.
Фазовая диаграмма боразона сравнена с данной диаграммой.
Оказалось, что в качестве ’’катализаторов’’ можно использовать также
нитриды перечисленных выше металлов. Поскольку применение легких металлов
имеет определенные преимущества,
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
