Термобарический синтез кристаллического нитрида углерода (стр. 1 из 2)

О. В. Кравченко, К. П. Бурдина, Б. М. Булычев, С. А. Трашин, Ю. Я. Кузяков, В. Н. Леднев, Н. Б. Зоров, А. Г. Буяновская, Р. У. Таказова

В 1989 г. была впервые предсказана возможность существования при нормальных условиях кристаллического нитрида углерода по строению подобного известному нитриду кремния |и по твердости сравнимого с алмазом [1]. Расчеты, выполненные в последующие годы [2], подтвердили возможность существования этой и других модификаций кристаллического нитрида углерода, обладающих ценными механическими и электрофизическими свойствами.

Эти теоретические выкладки стимулировали многочисленные экспериментальные исследования по синтезу и изучению строения различных фаз, содержащих в своем составе атомы углерода и азота. К настоящему времени в научной литературе имеется более 400 публикаций на эту тему.

В большинстве работ сообщается только о синтезе пленок, в том числе и алмазоподобных, содержащих нестехиометрические азот-углеродные соединения. Как правило, их макроструктура представляет собой матрицу из аморфного нитрида углерода с вкраплением зерен кристаллической фазы.

Для твердофазного синтеза объемных образцов кристаллического нитрида углерода различные углеродные вещества с высоким содержанием азота, такие как 1,3,5-триазин, тетрацианэтилен, парациан и др. подвергались воздействию высокого давления и температуры. Все исходные вещества обладали низкой плотностью с атомами углерода в состоянии sp1-гибридизации. Очевидно, что высокое давление должно стимулировать образование высокоплотной кристаллической фазы с изменением типа гибридизации атома углерода вплоть до состояния sp3. Однако получить макроскопическое количество кристаллического нитрида углерода до настоящего времени таким способом не удавалось [3].

Сложность термобарического синтеза кристаллического нитрида углерода заключается в том, что неизвестна область его термодинамической стабильности. Иными словами неизвестно, насколько велики должны быть давление и температура синтеза для образования высокоплотной кристаллической фазы. Очевидно только, что температура синтеза должна быть ниже температуры разложения исходного соединения, при которой происходит выделение молекулярного азота. С другой стороны, она должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить высокую скорость образования кристаллической фазы нитрида.

Объемный образец кристаллического нитрида углерода был впервые получен в 2002 г. на Химическом факультете МГУ при термобарическом воздействии на аморфный нитрид углерода в присутствии затравок кристаллизации [4]. В качестве затравок использовались пленки азот-углеродных соединений, содержащие монокристаллические зародыши нитрида углерода, нанесенные на поверхность пластин из монокристаллического кремния лазерным электроразрядным методом. Аморфный нитрид углерода синтезирован в результате реакции пиролиза Hg(CNS)2 при температуре 180—340 °С. Его химический состав соответствовал формуле С^4 ч- В рентгеновских спектрах продукта термобарического синтеза были выявлены рефлексы, указывающие на присутствие в нем примерно равных количеств кристаллических а- и р-фаз СзКф

С целью получения дополнительной информации о возможности образования кристаллического нитрида углерода нами исследована возможность приготовления аморфного нитрида углерода из тиоцианата цинка, а также возможность его кристаллизации в условиях термобарического синтеза.

Выбор этого соединения обусловлен тем, что строение тиоцианата цинка существенно отличается от строения тиоцианата ртути. Действительно, в то время как атомы ртути в тиоцианате ртути имеют одинаковое окружение, в тиоцианате цинка существует два вида атомов металла: часть из них окружена только атомами серы, другая часть только атомами азота роданидных групп. Эти отличия могут привести к образованию разных структурных фрагментов CN в аморфном продукте, часть из которых может привести к образованию кристаллической фазы нитрида углерода.

Роданид цинка был приготовлен известными методами по реакции между разбавленным водным раствором роданистой кислоты, полученной ионным обменом, и гидроксидом цинка. Рентгенограмма полученного образца хорошо совпадает с известной из литературы [6].

Синтез аморфного нитрида углерода из роданида цинка

Термическое разложение роданида цинка изучено недостаточно полно и сведения о механизме его термораспада в литературе отсутствуют. Нами было показано, что разложение роданида цинка в условиях политермического нагревания в вакууме или в атмосфере инертного газа начинается при температурах выше 300 °С и связано с выделением в газовую фазу сероуглерода и серы в количестве около 20% от первоначальной массы. Дальнейшее нагревание приводит к монотонной потере массы, суммарная потеря массы при нагревании образца до 900 °С составляет около 44%. В твердом остатке в виде кристаллической фазы регистрируется сульфид цинка. Изотермическое разложение тиоцианата цинка в вакууме при температуре около 350 °С сопровождается осаждением на холодных частях пиролизера образовавшейся в результате термолиза серы и твердого вещества, окрашенного в коричнево-желтый цвет. Состав этого кристаллического продукта (возможно, смеси веществ) подробно не изучался, однако методами химического анализа было установлено, что он содержит азот, углерод и серу. В колебательном спектре этого продукта присутствуют полосы поглощения в области 1000—1700 см"1, схожие по положению и форме со спектрами соединений с триазиновыми циклами.

Твердый остаток, полученный в результате термолиза тиоцианата цинка в указанных условиях, дает на рентгенограммах только весьма слабые и размытые линии, которые можно отнести к плохо закристаллизованному сульфиду цинка, остальные присутствующие фазы — рентгеноаморфны. Таким образом, можно предположить, что термораспад роданида цинка, в отличие от роданида ртути, протекает по меньшей мере по двум направлениям, и может быть представлен в общем виде уравнениями 1 и 2:

где значения т и п не определялись.

С учетом приведенных выше результатов использовалась следующая методика для приготовления аморфного нитрида углерода.

В круглодонную колбу помещался роданид цинка. Колба вакуумировалась, медленно нагревалась до температуры 350 °С и выдерживалась при этой температуре в течение часа. При этом наблюдалось осаждение в непосредственной близости от зоны нагрева продуктов возгонки, окрашенных в желто-коричневые цвета. После охлаждения колбы твердый остаток извлекался и подвергался действию смеси соляной и азотной кислот при комнатной температуре в течение 6— 8 часов, затем промывался царской водкой и водой до нейтрального значения рН. Окончательная стадия заключалась в сушке препарата в вакууме при медленном нагревании до 200 °С.

Состав продукта синтеза

Состав полученного препарата устанавливался методами элементного анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Элементный анализ проводили на модифицированном автоматическом CHNS-анализаторе фирмы Carlo-Erba (Италия). Согласно данным анализа состав вещества отвечает формуле CsN/t^Sf)^ ' f^O. При этом присутствие воды обусловлено, по-видимому, контактом высокодисперсного вещества с влагой воздуха, избежать которого в рамках использованного метода аналитического определения состава не представляется возможным. Это подтверждается фактом удаления воды при повторном вакуумировании и нагревании образца до 100 °С.

Рентгеновские фотоэлектронные спектры полученных образцов изучались с использованием прибора XPS Spectrometer, PHI 5400, Perkin Elmer в МИСИС в лаборатории д.х.н. Е.А. Скрылевой. Согласно полученным данным соотношение элементов в исследованных образцах отвечает формуле СзК^з^о.оз-

Термобарические эксперименты проводили на установках высокого давления в камерах типа «тороид», в которых аморфный нитрид углерода помещали между пластинками кремния Si(lOO) с нанесенными на них пленками. Пленки имели непосредственный контакт с аморфным нитридом углерода. Условия синтеза были аналогичны условиям, проведенных нами ранее опытов по кристаллизации аморфной формы нитрида углерода, полученной из роданида ртути [4] (давление 6 ГПа, температура — 450 и 500 °С, время экспозиции термобарического воздействия 2—2,5 часа).

Полученные продукты идентифицировали методом рентгенофазового анализа (РФА) на приборе ДРОН-4. Записывались дифрактограммы порошка основной массы нитрида углерода, а также отражения с поверхности кремниевой пластины (100) со стороны, контактировавшей с массивным образцом нитрида углерода, и после разрушения и растирания пластины. Полученные результаты представлены в таблице.

Анализ представленных в таблице результатов показывает:

— на рентгенограммах имеются линии, свидетельствующие об образовании кристаллических фаз;

— на рентгенограммах имеются линии, относящиеся к ранее наблюдаемым нами а- и р-фазам Сз^.

Значения этих линий отмечены в таблице жирным шрифтом и выделены курсивом;

— на рентгенограммах имеются линии, относящиеся к соединениям неизвестного состава и структуры. Значком + отмечены отражения, которые совпадают с отражениями, зарегистрированными нами в предыдущей работе [4] и также отнесенными к неизвестной фазе;

— в спектре пластин обнаружены очень слабые линии, которые можно отнести к a-C3N4- Интенсивность спектра исключительно слаба вследствие малого количества вещества на пластинах;

— наиболее интенсивные отражения, указывающие на присутствие кремния, обнаружены в порошке, полученном при растирании пластин.

Используя значения параметров кристаллической решетки а и с, опубликованные в [3], нами было показано, что ряд дополнительно полученных в настоящей работе отражений, по сравнению с опубликованными в [4], также относятся к а- и р-фазам С3Кф Эти отражения отмечены в таблице звездочкой. Для наглядности в таблице представлены результаты теоретических расчетов отражений для а- и Р-фаз C3N4, взятые из работы [5]. Отражений, соответствующих кубической, псевдокубической или графитоподобной фазам кристаллического C3N4, на наших рентгенограммах не обнаружено.