砷化铝是一种橘黄色晶体,具有闪锌矿结构,晶格常数类似于砷化镓。砷化铝属于等轴晶系,熔点为943℃,易潮解且有毒,在酸中溶解时会产生砷化氢气体。目前市场上的砷化铝产品主要是进口的,价格昂贵,但相关的生产技术和发明专利并未公开。因此,有必要开展砷化铝制备技术的研究,以提供一种高效制备高纯砷化铝产品且制造成本较低的方法。
砷化铝常被用作光谱分析试剂和制备电子组件的原料,同时也是一种新型半导体材料。
1)制备太阳能电池外延结构。
该太阳能电池外延结构包括待剥离衬底、牺牲层和电池层。牺牲层由多个叠层单元组成,其中包括第一砷化铝层和第二砷化铝层,两者均为n型掺杂层,但掺杂浓度不同。该结构能提高湿法腐蚀的效率和待剥离衬底的剥离效率,并缓和电池层与待剥离衬底之间的剥离拉扯力,提高分离良率。
2)制备高亮度发光二极管。
该发光二极管结构包括砷化镓衬底、砷化铝剥离层、n型限制层、多量子阱有源区和p型窗口层。通过直接外延生长一层磷化镓作为发光窗口层和永久衬底层,取代传统的二次衬底贴附工艺,不仅提高了光的提取效率,简化了制作工艺,还提高了产品的稳定性和良品率。
一种高效制备高纯砷化铝的方法是采用气相沉积法。首先,在氩气保护下,将三氯化铝和三氯化砷在挥发室中加热挥发成蒸汽,然后通过喷嘴喷入反应室进行反应,最终生成砷化铝晶体。具体步骤如下:
(1) 以氩气为保护气体,将三氯化铝和三氯化砷按摩尔质量比为1:1~1.5:1取料,分别置于第一挥发室和第二挥发室中,在300~900℃条件下挥发0.5h~12h,使两种物料都处于蒸汽状态;
(2) 通过喷嘴将两个挥发室中的三氯化铝和三氯化砷蒸汽分别喷入一个钛材制做的反应室内,在300~900℃条件下反应2h~5h,进行气相沉积,得到沉积物;剩余挥发气体在常温下加压至600~700kPa或在常压下冷却到-34℃得到液氯;
(3) 将所得沉积物加热挥发2h~12h,加热温度为300~900℃、压强为0.5~100KPa,除去残余的氯,冷却,最终得到纯度大于99.9%的橘黄色砷化铝晶体。
该方法可采用现有技术的金属加热挥发设备,如侧吹式电炉,以及电加热炉作为反应室。通过该方法制备的砷化铝产品具有高纯度和较低的制造成本。
[1] CN201821934160.3一种太阳能电池外延结构
[2] CN201210452575.8高亮度发光二极管及制备方法
[3] CN201711168246.X一种高效制备高纯砷化铝的方法
氮化铝是一种共价键化合物,属于六方晶系,具有纤锌矿型的晶体结构,呈现白色或灰白色。
氮化铝在室温下具有高强度,且随着温度升高,强度下降的速度较慢。它具有良好的导热性和小的热膨胀系数,是一种优秀的耐热冲击材料。此外,氮化铝还具有出色的抗热震性能。相比氧化铝,氮化铝的导热率是其2到3倍,而且在热压过程中,其强度也比氧化铝更高。氮化铝对铝和其他熔融金属、砷化镓等具有良好的耐蚀性,特别是对熔融铝具有极好的耐侵蚀性。此外,氮化铝还具有优异的电绝缘性和介电性能。然而,氮化铝的高温抗氧化性较差,在大气中容易吸潮、水解,并且与湿空气、水或含水液体接触时会产生热和氮气,并迅速分解。它在2516℃时分解,具有很高的热硬度,即使在分解温度之前也不会软化变形。此外,氮化铝和水在室温下也会缓慢反应并发生水解,而与干燥的氧气在800℃以上反应。
1.将氨和铝直接进行氮化反应,然后经过粉碎和分级处理,得到氮化铝粉末。或者将氧化铝和炭充分混合,在电炉中以1700℃还原制得氮化铝。
2.将高纯度铝粉脱脂后,放入镍盘中,然后将盘放入石英或瓷制反应管内,在纯化的氮气流中缓慢加热。当氮化反应在约820℃时发出白光并迅速进行。此时,必须大量通入氮气以防止反应管内产生减压。反应激烈完成后,在氮气流中冷却。由于产物中含有金属铝,可以将其粉碎,并在1100~1200℃的温度下在氮气流中再加热1~2小时,即可得到灰白色的氮化铝。
另外,还可以通过将铝在1200~1400℃下蒸发气化,使其与氮气反应,从而得到氮化铝的须状物(金属晶须)。此外,还可以使用AlCl3·NH3加成物进行热分解制备氮化铝。
3.直接氮化法
将氮和铝直接进行氮化反应,然后经过粉碎和分级处理得到氮化铝。氮化铝的产品质量受到反应炉温、原料预混合、循环氮化铝粉末比例以及氮化铝比表面积等条件的影响。因此,需要严格控制工艺过程,以获得稳定特性的氮化铝粉末(如比表面积、一次粒径、凝聚粒径、松密度和表面特性等)。
1.氮化铝陶瓷是一种高技术新型陶瓷材料。氮化铝基板具有极高的热导率,无毒、耐腐蚀、耐高温,以及良好的热化学稳定性等特点,因此是大规模集成电路、半导体模块电路和大功率器件的理想封装材料、散热材料、电路元件和互连线承载体。此外,氮化铝也是提高高分子材料热导率和力学性能的最佳添加剂。氮化铝陶瓷还可用作熔炼有色金属和半导体材料砷化镓的坩埚、热电偶的保护管、高温绝缘件、微波介电材料、耐高温和耐腐蚀结构陶瓷,以及透明氮化铝微波陶瓷制品等。此外,氮化铝还可用作高导热陶瓷生产原料和树脂填料等。
2.氮化铝可用作高导热陶瓷生产原料、AlN陶瓷基片原料和树脂填料等。
氮化铝应在干燥的保护气体下进行储存,并保持贮藏器密封。将其放入紧密的贮藏器内,储存在阴凉、干燥的地方。
目前,封装基板材料主要采用氧化铝陶瓷或高分子材料,但随着电子产品的小型化,使集成电路(IC)和电子系统在半导体工业上也朝向高集成密度以及高功能化的方向发展。因此,如今对于电子零件的承载基板要求越来越严格,其中,高热导率更加成为电路高度集成化和小型化的突破口,氧化铝陶瓷基板也越来越难以满足发展要求。由于AlN具有良好的物理和化学性能逐步成了封装材料的首要选择。
1.耐热冲和热交换材料
氮化铝陶瓷室温比较强度高,且不易受温度变化影响,同时具有比较高的热导系数和比较低的热膨胀系数,是一种优良的耐热冲材料及热交换材料,作为热交换材料,可望应用于燃气轮机的热交换器上。
2.耐热材料
由于氮化铝具有与铝、钙等金属不润湿等特性,所以可以用其作坩埚、保护管、浇注模具等。将氮化铝陶瓷作为金属熔池可以用在浸入式热电偶保护管中,由于它不粘附熔融金属,在800~1000℃的熔池中可以连续使用大约3000个小时以上并且不会被侵蚀破坏。此外,由于氮化铝材料对熔盐砷化镓等材料性能稳定,那么将坩埚替代玻璃进行砷化镓半导体的合成,能够完全消除硅的污染而得到高纯度的砷化镓。
3.微波衰减材料
微波衰减的研究应用已经逐渐从军事方面向人们的日常生活方面渗透,如人体安全防护,雷达探测和波导或同轴吸收元件。它的本质就是在介质内部,通过极化这种物理机制将微波能量转化为热能并经由材料本身将热能交换到外界环境中去,被越来越多的应用到大功率微波电真空器件中。
AlN的介电损耗值较低,为了使之适合作为微波衰减材料,通常添加导电性和导热性都良好的金属或者陶瓷作为微波衰减剂制备成Al N 基的微波衰减陶瓷。目前研究中所涉及到的导电添加剂有碳纳米管、TiB2、TiC以及金属Mo、W、Cu等。
总之,AlN陶瓷材料在电子领域和电力、机车、航空和航天、国防和军工、通讯以及众多工业领域都具有广阔的应用前景和广泛的潜在市场。
活性氧化铝被广泛应用于各个领域,包括饮用水处理、自来水处理、污水脱色、废水处理、循环水处理、化工厂水处理、电厂水处理、造纸厂水处理、皮革厂水处理、印染厂水处理、饮料厂水处理、制药厂水处理、屠宰场水处理、食品厂水处理等。所有运营企业都需要处理污水和废水,因此活性氧化铝是不可或缺的水处理材料。
活性氧化铝是一种白色球形多孔颗粒,具有均匀的粒径、光滑的表面、高机械强度、强大的稀释能力、无臭、不溶于水和乙醇、吸水不开裂,并且可以再生。
活性氧化铝根据内部主晶相的不同,可以分为γ型和α型。根据使用规定,它可以用作激活吸收剂、活性氧化铝干燥剂和活性氧化铝催化剂载体氧化铝。
活性氧化铝具有许多优良性能,例如良好的吸附性能、多孔的催化活性、高分散性等。氧化铝在催化剂中的应用通常被称为“活性氧化铝”,它是一种多孔、高度分散的固体材料,具有较大的表面积,其微孔表面具有催化作用所需的特性,如吸附性能、表面活性、热稳定性等。因此,在化学反应的催化剂和催化剂载体方面有广泛的应用。该产品是通过科学调配和催化精加工而成的高纯度氧化铝。它具有高抗压硬度和长使用寿命,并且可以通过再生方法反复使用。该产品是白色、球状多孔性物质,无毒、无臭、不粉化、不溶于水。它可以吸附去除水中对人体有害的氟,可用于饮用水和工业装置的除氟、脱砷、污水脱色、除臭等。高性能的活性氧化铝在不定形耐火材料配料中具有以下优点:提高坯体密度、流动性、强度,提高二次莫来石生成量,降低加水量和气孔率。
此外,活性氧化铝还可以用作干燥剂,具有较大的吸水量和快速干燥速度,并且可以通过再生(400-500K烘烤)。
主要用途:活性氧化铝球适用于多种气体和液体的干燥,在石油、化肥、化工等许多反应过程中用作吸附剂、干燥剂、催化剂及其载体,γ型催化剂载体使用氧化铝,它是一种极其稳定的催化剂载体,本身也可以作为催化剂使用。
叔丁基氯化镁是一种碱性极强的格式试剂,分子式为C4H9ClMg,分子量为116.873。一般情况下它的商售产品为四氢呋喃液体,表现为棕色或深红色透明液体。它对空气非常敏感,必须在低温下隔绝空气保存,主要用于实验室研发和化工医药研发过程中。通常情况下,可以叔丁醇为原料,使其与浓盐酸反应生成叔丁基氯,再与镁反应制得叔丁基氯化镁。
叔丁基氯化镁可用作医药化工合成中间体,粘合剂,还可用作反应的催化剂。
(1)以氰化亚铜为催化剂,叔丁基氯化镁和二甲基二氯硅烷反应可以制备叔丁基二甲基氯硅烷,收率74.2%,含量99.3%[1]。叔丁基氯化镁还可用于制备叔丁基砷,叔丁基氯化镁与氯代叔丁烷反应在引发剂(有机铝或者无机铝)条件下反应,所述引发剂为所述引发剂和镁的用量重量比为(3~7):100;将三氯化砷与叔丁基氯化镁在10℃以下搅拌反应后得到叔丁基二氯化砷;将叔丁基二氯化砷与还原剂在10℃以下搅拌反应后得到叔丁基砷粗品;对步骤(3)得到的叔丁基砷粗品提纯。该发明方法提高了三氯化砷的转化率,避免了三氯化砷在后续反应中产生副反应生成砷烷,从而提高了粗品叔丁基砷纯度[2]。
(2)文献报道了一种基于淤泥的散粒体碳化人造骨料,属于建筑材料制备技术领域。以无锡当地的太湖底淤泥为主要组分,以叔丁基氯化镁,工业烧碱,PAC(聚合氯化铝)为无机粘合剂,并通过碳化的方法提升散粒体强度并对有害成分进行固化,保证人造骨料有足够的力学强度,性质优异。一方面,该方法能对淤泥进行大规模处理。另一方面,人造建筑骨料的制备可以减少天然骨料的开采,减少对环境的破坏,并且可以广泛运用于建筑,路基等工程[3]。
(3)为了提高抗肿瘤药物喜树碱的靶向作用,有关研究设计并合成了一种喜树碱的环磷酸酯前药。以间氯苯乙酮为起始原料,经过缩合,还原反应,制备1-间氯苯基-1,3-丙二醇(2)。将其与对硝基苯二氯磷酸酯反应可以合成制备环磷酸酯前药的重要中间体1-间氯苯基-1,3-丙基环磷酸酯(3)。再以10-羟基喜树碱为底物,与中间体3可合成目标化合物喜树碱环磷酸酯前药(4)。实验探讨了两种催化剂对目标产物喜树碱环磷酸酯前药合成反应的影响,结果表明,叔丁基氯化镁催化效果较好,反应时间缩短到24h,产物收率42.5%.
[1]冯晓亮,谢建伟,葛露琼,等.叔丁基二甲基氯硅烷的合成[J].化学试剂, 2011.DOI:10.3969/j.issn.0258-3283.2011.02.025.
[2]郭高伟,陈世栋,徐成,等.一种叔丁基砷的制备方法:CN202011028564.8[P].CN112159431A.
[3]孙秀丽,金勋,孙童童,等.一种基于淤泥的散粒体碳化人造骨料制备碳化设备和方法:CN202310772663.4[P].CN116655276A.
[4]刘红霞,王大元,江涛.喜树碱环磷酸酯前药的合成研究[J].化学研究与应用, 2016, 28(10):5.DOI:10.3969/j.issn.1004-1656.2016.10.018.