СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G21G1/00 C01B33/00 

Изобретение относится к способам получения элементов, в частности элементарного кремния, который может быть использован для получения новых материалов.

Известные способы получения элементарного кремния [1] основаны на восстановлении оксида кремния углеродсодержащими веществами по реакции
SiO₂ + 2C ---> Si + 2 CO.

Порошкообразную смесь исходных веществ восстанавливают в электрической дуге и выплавляют технический элементарный кремний. Наиболее близким способом для достижения технического результата является способ получения плотного кремния, другой кристаллической модификации, обработкой обычного кремния при высоком давлении более 20 МПа [2]. Все технологически используемые способы получения элементарного кремния основаны на выделении из кремнийсодержащих оксидных материалов в процессе восстановления, карботермии.

Предлагаемый способ основан на превращении (трансмутации) других химических элементов алюминия и фосфора в элементарный кремний. В этом его отличие от способа прототипа. Превращение достигается пропусканием электрического тока через смесь кристаллических веществ, содержащих основные элементы O, Al, P, при плотности тока не менее 10¹¹ А/м².

Техническим результатом изобретения является расширение арсенала технических средств, а именно получение впервые кремния высокого давления из других химических элементов. Техническим результатом также можно считать получение кремния кристаллической модификации высокого давления при атмосферном давлении.

Пример. На смесь кристаллических веществ, содержащих основные элементы O, Al, P, в пространстве между электродами действовали импульсным электрическим током плотностью более 10¹¹ А/м². Образец анализировали на содержание кремния в сопоставлении с исходной смесью. Гравиметрический анализ в форме оксида кремния, полученного после выщелачивания образца водным слабощелочным раствором NaOH, последующего осаждения и отделения кремниевой кислоты и высушивания до постоянной массы [3], показал 10 мас.% кремния в продукте.

Применяли эмиссионный спектроскопический анализ, спектрометр ИСП-28 с источником, плазмотроном дугового типа килогерцевого диапазона частот [4].

Линии кремния 2881, 2528, 2516, 2506 обнаружены в исходных смесях (менее 1 мас.%). В продукте увеличение их интенсивности в 6 раз подтверждает образование кремния. Линии дублетов алюминия 3082 - 3092; 2652 - 2669; 2568 - 2575; 2367 - 2373 обнаружены во всех образцах, но интенсивность их в исходной смеси в 5 раз выше. Линии фосфора 2554, 2553, 2534 и др. высокой интенсивности найдены в исходных смесях, в продуктах они отсутствуют за исключением очень слабой линии 2535
Применяли энергомасс-анализатор ЭМАЛ-2 для масс-спектрометрического анализа исходных смесей и продуктов превращения по разработанной методике определения кремния в режиме безфракционного испарения образца с помощью лазера и регистрации на фотопленке после разделения потока ионов. В масс-спектрах продукта наблюдали пики ионов изотопов кремния (m/e): однозарядных 28, 29, 30 и двухзарядных 14, 14,5, 15 с относительной интенсивностью, согласующейся с эталонным образцом кремния. В масс-спектрах исходной смеси обнаруживаются следовые количества кремния. В обоих образцах наблюдали пики 13,5; 27 ионов алюминия и 15,5; 31 ионов фосфора, соответственно двух- и однозарядных.

Рентгенограммы записывали на дифрактометре ДРОН-4 в CuK_α монохроматическом излучении. Сравнивали рентгенограммы исходной смеси, продукта и остатка продукта после кислотного выщелачивания. В рентгенограммах продукта, в том числе после выщелачивания, найдены уширенные рефлексы d, 2,689, 2,334, 1,558, 1,106, отвечающие кубической фазе плотного кремния высокого давления (более 20 МПа) [2, 5] , не перекрывающиеся с рефлексами других присутствующих фаз. В продукте после выщелачивания преобладают фазы α- и γ- Al₂O₃. По уширению рефлекса d = 2,689 (I/I₀ = 100%), оценен размер - менее 320 микрокристаллитов фазы плотного кремния.

Полученные результаты для продукта в сравнении с исходной смесью подтверждают образование кремния в результате превращения (трансмутации) алюминия и фосфора.

При плотности тока менее 10¹¹ А/м² кремний не образуется из других химических элементов исходной смеси и не обнаруживается описанными методами анализа.

Изобретение позволяет получать элементарный кремний из других элементов, алюминия и фосфора. Кроме того, плотный кремний с кубической кристаллической структурой получается без использования техники высоких давлений более 20 МПа.

Изобретение относится к способам получения кремния, отличающееся от известных карботермических способов тем, что плотный кремний кубической структуры получается из других элементов, алюминия и фосфора, при действии электромагнитного поля при плотности тока не менее 10¹¹ А/м² на смесь кристаллических веществ, содержащих основные элементы О - Аl - Р. Изобретение может быть использовано для создания новых материалов. Приведены спектральные результаты эмиссионного спектрального анализа, масс-спектрометрии, РФА, подтверждающие образование кремния из элементов алюминия и фосфора. Технический результат -расширение арсенала технических средств получения кремния высокого давления из других химических элементов путем превращений (трансмутаций).

Способ получения кремния, включающий получение элементарного кремния высокого давления, отличающийся тем, что кремний получают из химических элементов алюминия и фосфора действием электрического тока плотностью более 10¹¹ А/м² на смесь кристаллических веществ, содержащих кислород, алюминий, фосфор.