СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ТЕЛЛУРИДА КАДМИЯ СО СТРУКТУРОЙ ВЮРТЦИТА Российский патент 2009 года по МПК C01G11/00 C01B19/00 B82B3/00 

Изобретение относится к способам получения наночастиц веществ с заданными свойствами, в частности к получению полупроводниковых наночастиц теллурида кадмия метастабильной гексагональной фазы (вюртцита).

На современном этапе развития науки и техники возник интерес к материалам в виде наночастиц. При размере частиц 10 нм на поверхность приходится до 50% материала, и нанокристаллические материалы обладают особыми физико-химическими свойствами.

Монокристаллы теллурида кадмия интересны для фотоэлектрического преобразования солнечной энергии и применений в оптике. У нанокристаллов теллурида кадмия около 10 нм отмечены существенные изменения ряда свойств, что делает их перспективными для создания оптических приборов (приемников, люминофоров, призм, линз, окон, лазеров), детекторов ионизирующих лучей, катализаторов, открывая пути не только для микроминиатюризации, но и для расширения областей применения. Особый интерес представляет малоизученная метастабильная модификация наночастиц теллурида кадмия метастабильной гексагональной фазы (вюртцита). Полупроводниковые материалы, в том числе A²B⁶, получали высокотемпературной и сложной технологией и обычно получают только стабильную фазу сфалерита.

Известен способ и состав шихты для получения тонких пленок в виде вафель монокристаллов Hg_1-xCd_x Те с заданными свойствами нагревом в двухзонной печи при заданных высоких температурах с заданной ограниченной скоростью движения потока совместно с селеном и цинком и последующими обработками вафель для получения фоточувствительных приемников [Патент GB 2308356].

Однако получить материал в виде наночастиц таким способом невозможно, тем более метастабильной гексагональной фазы (вюртцита).

Известен метод получения из газовой фазы наночастиц теллурида кадмия размером менее 100 нм с заданными свойствами нагревом в двухзонной печи. При температуре испарения 750°С частицы имеют размер 10 нм, при 990°С - 100 нм [N.N.Kolesnikov, V.V.Kveder, R.B.James, D.N.Borisenko, M.P.Kulakov. Growth of Теллурид кадмия Nanocrystals by vapor deposition method. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 2004, A 527, p.73-75].

Однако метод трудоемок, высокие температуры увеличивают степень загрязнения продукта, получить частицы размером менее 10 нм нельзя, тем более метастабильной гексагональной фазы (вюртцита).

Известен принятый за прототип низкотемпературный метод получения наночастиц при химическом осаждении в автоклаве из неводных растворов при 180°С. Получаются нанокристаллы CdSe и CdTe только исключительно сфалеритной фазы разных размеров частиц и их формы, но не менее 10 нм [Wang Q., Pan D., Jiang S., Ji X., An L., Jiang B. A solvotermal route to size- and shape-controlled CdSe and Теллурид кадмия nanocristals J.Cryst. Growth 2006, v.286, p.83-90].

Однако процесс, хотя и более низкотемпературный, трудоемок и не дает частиц менее 10 нм, тем более метастабильной гексагональной фазы (вюртцита).

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении технологии, уменьшении размеров получаемых наночастиц до 1 нм и получении их в метастабильной гексагональной фазе вюртцита.

Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе, включающем осаждение теллурида кадмия, теллурид кадмия предварительно разлагают в расплаве щелочей (гидроокиси натрия или калия) в атмосфере азота до гомогенизации расплава, затем расплав охлаждают до (-15)-(-20)°С и постепенно добавляют при постоянном помешивании водно-спиртово-аммиачную смесь с температурой (-15)-(-20)°С до полного осаждения теллурида кадмия с размером наночастиц около 1 нм, структурой вюртцита и выпавший осадок отфильтровывают.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются разложение исходного теллурида кадмия в расплаве щелочи и обратное осаждение теллурида кадмия охлажденной до (-15)-(-20)°С водно-спиртово-аммиачной смесью при ее постепенном добавлении и при постоянном перемешивании до получения конечного раствора с температурой не выше (-5)-(-10)°С.

Пример 1.

Исходные кристаллы теллурида кадмия (CdTe) высокой чистоты плавят с гидроокисью калия (КОН хч) в стеклоуглеродном тигле в атмосфере азота до полной гомогенизации окрашенного продукта. Расплав охлаждают до -20°С и постепенно при охлаждении добавляют охлажденную до -15°С водно-спиртово-аммиачную смесь при ее постепенном добавлении при постоянном перемешивании и охлаждении для получения конечного раствора при температуре не выше -5°С. На нанофильтре собирают осадок теллурида кадмия для последующих операций. Химический состав отвечает формуле CdTe. Спектры флюоресценции дают сдвиг до синей части спектра, как и ожидается для частиц размера около 1 нм. Размер наночастиц около 1 нм.

Пример 2.

Исходные кристаллы теллурида кадмия (CdTe) высокой чистоты плавят с гидроокисью натрия (NaOH хч) в стеклоуглеродном тигле в атмосфере азота до полной гомогенизации окрашенного продукта. Расплав охлаждают до -20°С и постепенно при охлаждении добавляют охлажденную до -15°С водно-спиртово-аммиачную смесь при ее постепенном добавлении при постоянном перемешивании и охлаждении для получения конечного раствора при температуре не выше -5°С. После окончания процесса раствор доводят до комнатной температуры. На нанофильтре собирают осадок теллурида кадмия для последующих операций. Химический состав отвечает формуле CdTe. Спектры флюоресценции дают сдвиг до синей части спектра, как и ожидается для частиц размера около 1 нм. Размер наночастиц около 1 нм.

Структура вюртцита доказана тем, что частицы не катализируют превращение β-Sn в α-Sn в течение 140 часов, тогда как аналогичные частицы со структурой сфалерита заражают олово за 5-8 часов, то есть значительно более чем на порядок быстрее [Механизмы аллотропного превращения олова. "Неорганические материалы". 2003 г., т 39, N8 с.944-948].

Изобретение может быть использовано для производства фотоэлементов солнечных батарей, для создания оптических приборов, детекторов ионизирующих излучений и катализаторов. Способ получения наночастиц теллурида кадмия со структурой вюртцита включает разложение кристаллов теллурида кадмия в расплаве гидроокиси калия или натрия в атмосфере азота до полной гомогенизации полученного продукта. Расплав охлаждают до (-15)-(-20)°С и постепенно добавляют при перемешивании и охлаждении водно-спиртово-аммиачную смесь с температурой (-15)-(-20)°С до получения конечного раствора с температурой не выше -5°С. Выпавший осадок теллурида кадмия отфильтровывают. Изобретение позволяет получить наночастицы теллурида кадмия со структурой вюртцита и размером около 1 нм и упростить технологию их получения.

Способ получения наночастиц теллурида кадмия со структурой вюртцита, включающий осаждение теллурида кадмия, отличающийся тем, что теллурид кадмия предварительно разлагают в расплаве щелочей (гидроокисей натрия или калия) в атмосфере азота до гомогенизации расплава, затем расплав охлаждают до (-15)-(-20)°С и постепенно добавляют при постоянном помешивании водно-спиртово-аммиачную смесь с температурой (-15)-(-20)°С для получения конечного раствора с температурой не выше -5°С до полного осаждения теллурида кадмия с размером наночастиц около 1 нм, структурой вюртцита и выпавший осадок отфильтровывают.