Разделение изотопов кремния химическим обменом между тетрафторидом кремния и его комплексным соединением с триметилфосфатом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.04, кандидат химических наук Иванова, Светлана Николаевна

• Иванова, Светлана Николаевна
• кандидат химических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат химических наук Иванова, Светлана Николаевна

Введение.

1 Литературный обзор.

1.1 Основные свойства, области применения и технология изготовления моноизотопного кремния.

1.1.1 Теплопроводность кремния и его применение в микроэлектронике.

1.1.2 Уточнение постоянной Авогадро.

1.1.3 Создание квантового компьютера.

1.1.4 Другие области применения изотопнообогащенного кремния.

1.1.5 Технология получения моноизотопного кремния.

1.2 Методы разделения изотопов кремния.

1.2.1 Газоцентробежное разделение.

1.2.2 Электромагнитное разделение.

1.2.3 Термодиффузионное разделение.

1.2.4 Ректификация кремнийсодержащих соединений.

1.2.5 Лазерное разделение.

1.2.6 Химический изотопный обмен.

1.2.6.1 Общие сведения.

1.2.6.2 Выбор рабочих систем для метода ХИО.

1.2.6.3 Мольное отношение как один из основных признаков применимости растворителя.

1.2.6.4 Строение комплексных соединений тетрафторида кремния

1.2.6.5 Свойства комплексообразователей - алифатических спиртов и их соответствующих соединений с тетрафторидом кремния

1.2.6.6 Однократный эффект разделения.

1.2.6.7 Результаты применения метода химического изотопного обмена для разделения изотопов кремния в лабораторных условиях.

1.2.6.8 Полнота обращения потоков при осуществлении процесса химобмена в системах 81Р4 - 81Р4-п1ЮН.

1.2.6.9 Недостатки химобменных систем на основе алифатических спиртов.

1.3 Выводы из литературного обзора и задачи исследования.

2 Физико-химические свойства комплексообразователей и комплексов тетрафторида кремния на их основе. Фазовое равновесие в системах 81Р4 - 81Р4-п(СНз)зР04 и

81Г4 - 81Г4,пС5НцОН. Влияние температуры.

2.1 Физико-химические свойства тетрафторида кремния, триметилфосфата и пентанола-1.

2.1.1 Тетрафторид кремния (81Р4).

2.1.2 Триметилфосфат ((СН3)3Р04) и пентанол-1 (СзНцОН).

2.2 Подготовка реактивов.

2.2.1 Общие сведения.

2.2.2 Синтез тетрафторида кремния.

2.2.2.1 Методы синтеза тетрафторида кремния и анализ возможности их реализации.

2.2.2.2 Результаты предварительных опытов синтеза тетрафторида кремния.

2.2.2.3 Используемые методики синтеза.

2.2.3 Порядок подготовки органических комплексообразователей.

2.2.4 Определение массовой доли воды в органических растворителях методом кондуктометрического титрования реактивом Фишера.

2.2.5 Очистка комплексообразователей методом ректификации при пониженном давлении.

2.3 Мольное отношение комплексов тетрафторида кремния с органическими растворителями.

2.3.1 Общие сведения.

2.3.2 Насыщение комплексообразователя путем пропускания через него потока тетрафторида кремния (методика 1).

2.3.3 Насыщение комплексообразователя тетрафторидом кремния под давлением (методика 2).

2.3.4 Расчет мольного отношения при использовании методики

2.3.5 Расчет мольного отношения при использовании методики 2.

2.3.6 Влияние методики синтеза тетрафторида кремния на мольное отношение.

2.3.7 Методические особенности измерения мольного отношения при использовании методики

2.3.8 Влияние скорости уноса паров комплексообразователя на величину мольного отношения.

2.3.9 Анализ побочных процессов при насыщении пентанолаи ТМФ тетрафторидом кремния.

2.3.10 Температурная зависимость величины мольного отношения комплексов тетрафторида кремния с органическими комплексообразователями.

2.4 Плотность комплексных соединений тетрафторида кремния с пентанолом-1 и триметилфосфатом.

2.5 Вязкость комплексных соединений 81Р4пС5Н| |ОН и 81Р4п(СН3)3Р04.

2.5.1 Определение температуры кристаллизации С5Н1 ¡ОН,

81Р4 пС5Н, ,ОН, (СН3)3Р04 И 81Р4П(СН3)3Р04.

2.5.2 К вопросу о строении комплексных соединений тетрафторида кремния с триметилфосфатом.

2.5.3 Расчет энтальпии образования комплексного соединения SiF4n(CH3)3P04.

3 Изотопное равновесие в системах SiF4 - SiF4-nCsHnOH и SiF4 - SiF4-n(CH3)3P04: определение коэффициента разделения изотопов кремния. Влияние температуры на величину коэффициента разделения.

3.1 Схема установки для определения коэффициента разделения изотопов кремния методом однократного уравновешивания.

3.2 Изотопный анализ проб газовой фазы и способ расчета коэффициента разделения изотопов кремния.

3.3 Температурная зависимость коэффициента разделения изотопов кремния в системах SiF4 - SiF4-nC5HnOH и

SiF4 - SiF4n(CH3)3P04.

3.4 Расчет термодинамических характеристик реакции изотопного обмена из данных о величине коэффициента разделения в системе тетрафторид кремния - его комплексное соединение с пентанолом-1 или триметилфосфатом.

4 Полнота обращения потоков в системе

SiF4(r)-SiF4 п(СН3)3Р04(ж).

5 Умножение однократного эффекта разделения изотопов кремния методом химического изотопного обмена в насадочной колонне.

5.1 Общие сведения.

5.2 Схема, параметры установки для разделения изотопов кремния методом ХИО и порядок проведения экспериментов.

5.3 Особенности подготовки комплексообразователя и проведения экспериментов.

5.4 Условия и результаты разделения изотопов кремния в экспериментах с использованием триметилфосфата в качестве комплексообразователя.

5.5 Обработка и обсуждение результатов процесса разделения изотопов кремния в насадочной колонне.

5.5.1 Методика расчета массообменных характеристик системы SiF4 - SiF4n(CH3)3P04.

5.5.2 Оценка величины коэффициента разделения по данным работы колонны изотопного обмена.

5.5.3 Влияние нагрузки на эффективность массообмена.

5.5.4 Влияние температуры.

5.5.5 Полнота нижнего обращения потоков.

5.5.6 Особенности организации процесса разделения изотопов кремния.

5.6 Сравнение химобменных систем SiF4 - SiF4-n(CH3)3P04 и

SiF4 - SiF4-nC5HMOH.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разделение изотопов кремния химическим обменом между тетрафторидом кремния и его комплексным соединением с триметилфосфатом»

В последние десятилетия в области физики твердого тела открыты явления резкого изменения свойств изотопно-чистых материалов по сравнению с природными. Так, отмечается влияние изотопного состава на теплопроводность германия (цит. по [1] результатов исследований Т. Гебэйла и Г.У. Халла), обнаружено увеличение теплопроводности эпитаксиальных слоев на основе кремния-28 (цит. по [2] результатов исследований Т. Гебэйла и Г.У. Халла). В связи с этим возник повышенный интерес к моноизотопным веществам, в частности - к кремнию [3]. Природный кремний представляет собой смесь трех стабильных изотопов:

28 29 30

Si, Si (92,23, 4,67 и 3,10 ат. % соответственно) [4]. Производство и применение изотопнообогащенного кремния открывает для науки и техники новые перспективы, главным образом - в области полупроводниковых приборов, поскольку полупроводниковая промышленность - наиболее быстроразвивающаяся отрасль, определяющая научно-технический прогресс

3].

Применение изотопночистых материалов в некоторых случаях может улучшить характеристики существующих приборов, а также позволит создать принципиально новые технологии и методики. С этим связана высокая активность проведения научных исследований свойств изотопно-чистых материалов [3].

Интересно проследить временную тенденцию изменения количества исследований, касающихся изотопной тематики кремния. В рамках данной работы такой анализ был проведен за период с 1999 по 2007 годы с использованием материалов баз данных INIS и Science Direct (www.ScienceDirect.com). На представленном рис. 1 можно видеть, что на годы с 2002 по 2006 приходится пик исследований свойств и областей применения изотопнообогащенного кремния. Это связано с увеличивающимся прогрессом в области информационных технологий и, следовательно, с необходимостью удовлетворения требований к характеристикам приборов в микроэлектронике. Кроме того, достаточно интенсивно проводятся работы по проекту «Авогадро», который заключается в уточнении постоянной «Авогадро» с помощью высокочистого

28 моноизотопного монокристалла кремния [5]. В последние годы количество публикаций находится также на высоком уровне. Таким образом, на данный момент изотопная тематика кремния достаточно актуальна как с исследовательской, так и с промышленной точек зрения.

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 год

Рис. 1. Тенденция изменения интереса к изотопной тематике кремния за период с 1999 по 2008 годы по материалам INIS и Science Direct.

Несмотря на проявляемый интерес, исследования свойств моноизотопных кремниевых материалов и их практическое применение сдерживаются (по мнению авторов [6]) нехваткой достаточного количества высокообогащенного и химически чистого кремния.

Одной из стадий цепи производства моноизотопного монокристалла кремния является процесс разделения его изотопов, который может осуществляться физическими (газоцентробежным, термодиффузионным, электромагнитным и лазерным [7]) и физико-химическими методами (ректификацией и химическим изотопным обменом [8]). В настоящее время производство опытных партий изотопов кремния в виде тетрафторида кремния осуществляется относительно дорогостоящим (по мнению авторов [9]) газоцентробежным методом. Поэтому определенный интерес представляет поиск более экономичных способов обогащения [10]. В связи с этим всё больший интерес вызывают альтернативные методы - метод лазерного разделения и химического изотопного обмена.

Метод лазерного разделения исследуется в основном российскими и японскими учеными, и на данный момент достигнута высокая степень обогащения, но пока нет возможности осуществить производство изотопов кремния в промышленных количествах [11]. Метод химического изотопного обмена (ХИО) исследовался в Грузии (НИИСИ, Тбилиси) [12] и продолжает исследоваться на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики РХТУ [13]. В настоящий момент получены результаты, согласно которым в качестве рабочих веществ при химическом изотопном обмене целесообразно применять тетрафторид кремния и органические комплексообразователи из ряда алифатических спиртов, образующих системы вида газообразный 81Р4 -жидкий молекулярный комплекс 81Р4-пСпН2п+10Н [13, 14]. Стоит отметить, что как комплексообразователи алифатические спирты не лишены некоторых недостатков (к ним относится реакция дегидратации спиртов, приводящая к увеличению содержания воды и последующему гидролизу тетрафторида кремния), поэтому поиск новых комплексообразователей, более устойчивых к протеканию побочных процессов, а также определение основных характеристик процесса разделения изотопов кремния представляется весьма актуальным. Как показал анализ возможности использования различных классов соединений, приемлемым может оказаться применение эфиров кислородсодержащих неорганических кислот, среди которых предпочтение можно отдать классу алкилфосфатов. В связи с этим работа посвящена исследованию новой химобменной системы: газообразный тетрафторид кремния - жидкое комплексное соединение тетрафторида кремния с триметилфосфатом (81Р4(Г) - 81Р4-п(СНз)зР04(Ж)).

1 Литературный обзор