Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения



Скачать 353.17 Kb.
страница3/4
Дата29.10.2012
Размер353.17 Kb.
ТипКурсовая
1   2   3   4

Получение пористого кремния

Пористый кремний впервые был получен А. Улиром (A. Uhlir) в 1956 году в ходе исследований процесса электрохимической полировки поверхности кремния в водных растворах HF. Пленки пористого кремния длительное время считали лишь лабораторным курьезом и детально не изучали. И все же этот материал привлекал внимание исследователей, поскольку механизм его формирования был совершенно непонятен.

Необычайный интерес исследователей к пористому кремнию вызвало обнаруженное в 1990 году Л. Кэнхэмом (L. Canham) излучение света пористым кремнием при комнатной температуре в видимой области спектра (красно-оранжевая область) при облучении лазером. Интерес к люминесценции материалов на основе кремния вызван тем, что вся полупроводниковая промышленность основана на кремнии, а монокристаллический кремний не может быть использован для создания светоизлучающих устройств, так как его излучательная способность ничтожно мала (менее 0,001 %).

При определённых условиях в присутствии окислителя пористый кремний имеет тенденцию к воспламенению и детонации при механических, электрических, термических воздействиях. Этот эффект впервые был отмечен в 1992 Мак Кордом, Яу и Бардом (P.McCord S.-L. Yau and A.J.Bard, Science 257 (1992) 68-69). Энергия детонации пористого наноструктурированного кремния приблизительно в четыре раза превосходит энергию детонации ТНТ. В последнее время предлагается использовать детонацию пористого кремния для инициации подушек безопасности в автомобилях, в кассетных реактивных двигателях микроспутников.

Пористый кремний получается при анодной электрохимической обработке монокристаллического кремния в растворах на основе плавиковой кислоты HF. Анодом служит пластина кремния, а катодом – платиновый электрод. При контакте с водными растворами HF поверхность кремния насыщается водородом и становится химически инертной по отношению к электролиту. При подаче разности потенциалов на электроды дырки в кремнии, которые представляют собой положительный заряд, начинают мигрировать к поверхности раздела кремния и электролита, атомы Si освобождаются от блокирующего их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и переходят в раствор. При высокой плотности тока к поверхности электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплошным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si. Микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки. Поэтому они растворяются быстрее. А поверхность кремниевого анода постепенно выравнивается. Это и есть режим электрохимической полировки. При низкой плотности тока количества дырок не хватает для организации сплошного фронта, поэтому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, механически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля поверхности.
С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электрода за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше. Необходимое количество дырок можно получать и за счет фотогенерации при подсветке кремниевого электрода, и также – лавинной генерации при анодировании в области высоких напряжений. Изменяя условия анодирования, можно получать пористый кремний с различной геометрией пор. На поперечный размер пор влияют плотность тока анодирования, время, дополнительная подсветка, состав электролита, уровень и вид легирования кремния и т.д. В результате всех этих факторов размер пор может меняться от 10 мкм до 1 нм. Пористая структура кремния может быть получена и другими способами, например при лазерном распылении кремния и его осаждении на расположенную рядом подложку.

Получение нитевидных кристаллов кремния.

Нитевидные кристаллы ("усы", виcкерсы) - монокристаллы в виде игл или волокон. Первые упоминания об искусственном получении нитевидных относятся к 16 в. Особенный интерес к нитевидным кристаллам возник в 50-х гг. 20 в. — после того как было обнаружено, что кристаллы многих веществ обладают необычно высокими механическими свойствами. В последующие годы в лабораториях ряда стран получены кристаллы более 140 различных элементов и соединений. Размеры нитевидных кристаллов в одном направлении во много раз больше, чем в остальных: типичная длина от 0,5 мм до нескольких миллиметров, диаметр 0,5-50 мкм. Форма поперечного сечения кристалла зависит от типа кристаллической ячейки данного соединения и может быть треугольной, квадратной, шестиугольной и др. Иногда нитевидные кристаллы имеют вид тонких трубок, лент, пластинок или спирально свернутого "рулета". Ленточные, а также трубчатые нитевидные кристаллы чаще всего образуются из газовой фазы. Наиболее изучены нитевидные кристаллы кремния, углерода (графит), металлов, оксидов Аl и Zr, карбидов Si, В, Hf и W, нитридов Аl и В. Нитевидные кристаллы характеризуются высокой однородностью и совершенством структуры и поверхности.

Основные способы выращивания нитевидных кристаллов - осаждение из газовой фазы и кристаллизация из растворов и расплавов по методам выращивания монокристаллов. Такие кристаллы образуются вследствие высокой скорости роста (в газовой фазе обычно около 0,01 мм/с, иногда 1-2 см/с). Рост кристаллов может происходить из газовой (паровой) фазы, раствора, расплава или твердой фазы. Рост из газовой фазы осуществляется путем конденсации паров либо вследствие реакций разложения летучих веществ (хлоридов, силанов и др.).

Рост из газа или пара в системе пар-жидкость-кристалл (ПЖК-метод) происходит с вершины кристалла через промежуточную жидкую фазу, находящуюся на вершине кристалла в виде капли, содержащей перенасыщенный раствор кристаллизующегося вещества в растворителе. Кристаллизующееся вещество диффундирует в эту каплю, осаждается на границе жидкость - кристалл, а капля остается на вершине. По этому механизму нитевидные кристаллы растут на тех участках подложки, на которой есть растворитель.

Существуют и другие методы выращивания, например электролиз с образованием кристаллов на электродах. В некоторых случаях нитевидные кристаллы выращивают на подложке из армирующего волокна и в таком виде используют (напр., "вискеризованные" углеродные волокна).

Нитевидные кристаллы некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах. Они применяют при изготовлении различных датчиков (миниатюрные термометры, тензодатчики, датчики Холла, дозиметрические датчики), автоэмиссионных катодов, в качестве армирующих компонентов в высокопрочных материалах с металлическими, керамическими и полимерными матрицами.
   

Получение пленок кремния.

Защитные диэлектрические пленки играют важную роль в изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем по планарной технологии.

В качестве исходных материалов для изготовления пленок могут быть использованы кварц, монооксид и диоксид кремния, нитрид кремния, оксид и нитрид алюминия, нитрид бора и др. Однако в настоящее время широкое промышленное применение нашли только два вида материалов: диоксид и нитрид кремния.

Защитные диэлектрические пленки SiO2 получают при нагревании исходных кремниевых подложек в окислительной среде. Этот метод позволяет получать высококачественные маскирующие пленки, равномерные по толщине и структуре и обладающие высокими защитными и диэлектрическими свойствами.

Для получения защитных диэлектрических пленок на кремнии используют термическое окисление в парах воды высокой чистоты. Высокотемпературную реакцию кремния с водяным паром используют в том случае, когда количество пара не ограничивает скорость реакции. Для поддержания необходимого парциального давления водяных паров у поверхности кремниевых пластин воду подогревают.

Отличием метода окисления в сухом кислороде от окисления в парах воды является то, что в первом случае веществом, диффундирующим сквозь растущую пленку оксида, является не вода, а ионы кислорода. Необходимо отметить, что коэффициент диффузии кислорода в пленке оксида значительно меньше, чем у водорода и воды при тех же условиях. Поэтому скорость роста оксидной пленки в сухом кислороде меньше, чем в парах воды.

Процесс окисления кремния во влажном кислороде представляет собой комбинацию двух ранее рассмотренных процессов окисления: в парах воды и в сухом кислороде. Сухой и очищенный от примесей кислород пропускают через водяную баню, где он насыщается горячими водяными парами, и затем подают его в рабочую камеру. Содержание влаги в потоке кислорода определяется температурой водяной бани и скоростью потока кислорода.

Наиболее простым и технологичным способом образования оксидов кремния без участия материалов подложки является пиролитическое разложение различных кремнийорганических соединений. Следовательно, этот способ дает возможность осаждать оксидные пленки кремния на подложку практически из любого материала. Другим важным преимуществом данного способа является то, что он позволяет свести к минимуму перераспределение примесей, которое имело место в исходной подложке, т. е. сохранить геометрические размеры и электрические параметры активных и пассивных областей подложки. Третьим достоинством способа является более низкая температура процесса.

Синтез

Для получения кремния был выбран следующий опыт, как наиболее простой и воспроизводимый в лабораторных условиях, с гарантированным выходом поликристаллического кремния. Опыт включает не описывавшуюся ранее технологию получения кремния – металлотермию, в частности алюминотермию.

Алюминотермия

Алюминотермия (от алюминий и греч. thérme — теплота), алюминотермический процесс получения металлов и сплавов восстановлением окислов металлов алюминием. Шихта из порошкообразных материалов засыпается в плавильную шахту или тигель и поджигается с помощью запальной смеси. Если при восстановлении выделяется много теплоты, то осуществляется внепечная алюминотермия, без подвода тепла извне, так как при развивается высокая температура (1900—2400°С), сам процесс протекает с большой скоростью, а образующиеся металл и шлак хорошо разделяются. Если теплоты выделяется недостаточно, то в шихту вводят подогревающую добавку или проводят плавку в дуговых печах (электропечная алюминотермия). Алюминотермию применяют для получения легирующих сплавов трудновосстановимых металлов — титана, ниобия, циркония, бора, хрома и др., для сварки рельсов и деталей стального литья; для получения огнеупора — термиткорунда. Алюминотермия открыта русским учёным Н. Н. Бекетовым (1859), в промышленности внепечной процесс освоен немецким химиком Г. Гольдшмидтом (1898).

Наряду с алюминотермией широко распространена магниетермия.

Это металлотермический экзотермический процесс восстановления элементов из их оксидов, галогенидов и других соединений металлов магнием по схеме: МХ+ Mg -› MgХ" + М + Q.

Примером такой реакции является реакция восстановления хрома из его оксида:

2Al + Cr2О3 = Al2О3 + 2Cr

Метод магниетермии особенно глубокое и широкое развитие в связи с организацией промышленного производства титана по реакции TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2, других легких и тугоплавких металлов. Эта методика так же может быть использована для получения поликристаллов кремния.

Методика проведения восстановления диоксида кремния методом алюминотермии.

В фарфоровый тигель насыпают смесь, состоящую из 12 г оксида кремния (мелкий кварцевый песок), 16 г порошкообразной серы и 13,5 г алюминиевого порошка. Сера здесь нужна для того (снижает температуру плавления), чтобы реакционная смесь стала жидкой: сульфид алюминия, побочный продукт реакции,— вещество легкоплавкое, образуется по реакции при t = 60°C:

4Al + 3S = Al2S3

Поверх смеси насыпают слой зажигательного состава. Реакцию следует проводить под тягой или, еще лучше, на открытом воздухе — из тигля летят раскаленные частицы, а температура достигает 2300°С.

4Al + 3SiO2 = 3Si + 2Al2O3 + Q

Помимо этой реакции при такой температуре идут побочные реакции, в двух из них наряду с силицидом алюминия образуются минералы из класса силикатов алюминия - кианит и муллит.

Al2O3 + SiO2 + 3Si + 4Al = Al2O3·SiO2(кианит) + Al4Si3

3Al2O3 + 2SiO2 + 3Si + 4Al = 3Al2O3·SiO2(муллит) + Al4Si3

(см. Приложение №4)

Когда горение закончится и тигель остынет, его нужно разбить, а содержимое поместить в воду, подкисленную соляной кислотой. Сульфид алюминия при этом гидролизуется, и выделяется сероводород, а оксид алюминия образует гидроксид.

Al2S3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2S

Не растворившиеся куски сплава несколько раз отмываются от гидроксида алюминия, взбалтывая их с водой и сливая ее вместе с белыми хлопьями.

После этого куски обрабатывались крепкой соляной кислотой — она растворяет алюминий, его оксид и не отмывшийся гидроксид, а также разлагает силицид алюминия:

Аl4Si3 + 12HCl = 4AlCl3 + 3SiH4

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2

Через несколько часов в насыщенной соляной кислоте растворится почти все лишнее, а на дне колбы останутся только кристаллики кремния.

Расчет для проведения восстановления кремния из его оксида

Согласно методике представленной выше:

m (SiO2)= 12 г.

m (S) = 16 г.

m (Al) = 13,5 г.

По этим данным вычисляем молярное соотношение реагентов:

M (SiO2) = 60 г/моль.

M (S) = 32 г/моль.

M (Al) = 28 г/моль.

По формуле ν = m/M вычисляем количество веществ:

ν (SiO2) = 12/60 = 0,2 моль.

ν (S) = 16/32 = 0,5 моль.

ν (Al) = 13,5/28 = 0,5 моль.

Из этого следует что:

ν(SiO2) : ν(S) : ν(Al) = 0,2 : 0,5 : 0,5 = 2 : 5 : 5

В нашем распоряжении имеется 8,5 г алюминиевых опилок. Исходя из этой массы алюминия, считаем массы диоксида кремния и алюминия:

m (Al) = 8,5 г.

ν (Al) = 8,5/ 27 = 0,35 моль.

ν(Al) : ν(S) = 1 : 1

ν (S) = 0,35 моль.

m (S)= 0,35 * 32 = 11,2 г.

ν(Al) : ν(SiO2) = 2,5 : 1

ν(SiO2) = 0,14 моль.

m (SiO2) = 0,14 * 60 = 8,4 г.

В процессе алюминотермии проходит две основных и множество побочных реакций.

2Al + 3S = Al2S3 – эта реакция протекает при 60°С (333 К), начинается сразу после поджига реакционной смеси.

4Al + 3SiO2 = 3Si + 2Al2O3 – это реакция восстановления алюминием очень инертного диоксида алюминия. Она проходит при температурах в диапазоне от 1750°С (2023 К) до 2300°С (2573 К).

По этим двум основным уравнениям проводим расчет:

2Al + 3S = Al2S3

ν(S) = 0,35 моль, следовательно:

ν(Al) = 0,23 моль.

m (Al) = 0,23 * 27 = 6,2 г. (масса Al реагирующего в этой реакции из общей массы)

ν(Al2S3) = 0,115 моль.

M(Al2S3) = 150 г/моль.

m (Al2S3) = 0,115 * 150 = 17,25 г.

При гидролизе данного количества Al2S3 по реакции :

Al2S3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2S↑

Выделяется следующий объем сероводорода:

ν(H2S) = 0,345 моль.

По формуле V = ν * вычисляем объем газа.

V(H2S) = 0,345 * 22.4 = 7,7 л.

В итоге алюминия остается (0,35 - 0,12) = 0,12 моль.

Этот алюминий участвует в восстановлении диоксида кремния.

Уравнение реакции:

4Al + 3SiO2 = 3Si + 2Al2O3

По нему проводим следующие расчеты:

ν(Al) = 0,12 моль.

ν(Si) = 0,09 моль.
1   2   3   4

Похожие:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа «Проектирование вычислительной системы»
Данная контрольно-курсовая работа выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Организация ЭВМ и систем» и получения практических...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: singapoure

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине: «Сети ЭВМ и телекоммуникации» на тему:

Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему: " факторинг во внутренней и международной деятельности. "
Охватывает всего платежного оборота поставщика
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по дисциплине «экономическая география»
На тему «Экономический и природно-ресурсный потенциал Франции и его использование»
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа Определение эйлерова пути на Прологе Халипский Сергей Николаевич Специальность: 230105
Ваша курсовая работа обладает недостатком, что не позволяет считать ее выполненной
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconТеория транспортных сетей
В своей курсовой работе я рассматриваю тему «Транспортные сети». Моя курсовая работа состоит из следующих разделов
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа по теме учение нового завета об отношении к власти
«…кто возвышает себя, тот унижен будет…» (Мф. 23: 11-12; Мк. 9: 35, 10: 42-44; Лк. 22: 25-27,14: 11,18: 14,9: 48) 11
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа на тему
Целью данной работы является анализ товарной и географической структуры международной торговли, а также изучение современных тенденций...
Курсовая работа на тему: Оптимизация нового метода получения iconКурсовая работа студентки II курса отиПЛа Востриковой Наталии на тему
Охватывает объект целиком’ (при единичном референте объекта) и объектного дистрибутива ‘действие p последовательно затрагивает много...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org