Способ выращивания кристаллов фуллерена С60 Российский патент 2018 года по МПК C01B32/156 C30B1/08 C30B28/02 C30B29/02 B82B3/00 B82Y40/00 

Изобретение относится к области выращивания кристаллов из парогазовой фазы, а именно кристаллов фуллерена С60, являющегося перспективным материалом для полупроводниковой оптоэлектроники.

Известен способ получения кристаллов фуллерена С60 особой чистоты [патент РФ №2442847 опубл. 20.02.2012, бюл. №5] - прототип. Кристаллы С60 были получены с использованием принципа перекристаллизации, при котором вторичные кристаллы фуллерена выращивались из первичных кристаллов, прошедших предварительную перекристаллизацию в динамическом вакууме. Недостатком предложенного способа является существенная потеря порошка С60 как на стадии рафинирования в динамическом вакууме, так и на последующих стадиях роста в условиях статического вакуума. В первом случае потери обусловлены откачкой паров С60 вакуумным насосом. Во втором случае - неполной пересублимацией первичных кристаллов, обусловленной полимеризацией поверхностных слоев кристаллов фуллерена С60 [Photoinduced Polymerization of Solid С, Films. / A.M. Rao, et. al. // Science. - 1993. - V. 259. - P. 955-957], вызванной ультрафиолетовым излучением, присутствующим в спектрах дневного света и пламени газовой горелки, используемой при запайке ампулы. Полимеризация поверхностных слоев кристаллов фуллерена С60 происходит при каждом вскрытии ампулы и перезагрузке выращенных кристаллов в новую ампулу для следующей стадии выращивания и затрудняет испарение (а иногда и вовсе препятствует испарению) молекул С60 из объема кристалла, чем объясняется невозможность получения крупных по своим размерам кристаллов С60, т.к. на потери приходится до 90% (масс.) от исходной загрузки С60.

Задачей настоящего изобретения является выращивание кристаллов фуллерена С60 в условиях, препятствующих воздействию УФ излучения на С60, и увеличение выхода годного по отношению к исходной массе загрузки.

Эта задача в предлагаемом способе решается за счет того, что выращивание кристаллов фуллерена С60 проводят в ампуле, на внутреннюю поверхность которой предварительно наносят слой пироуглерода, препятствующий проникновению ультрафиолетового излучения во внутренний объем ампулы, что предотвращает полимеризацию поверхностных слоев кристаллов фуллерена С60, причем весь многостадийный процесс выращивания проводят без вскрытия ампулы и перезагрузки кристаллов. Очередность стадий процесса выращивания обеспечивается последовательным ступенчатым перемещением ампулы относительно градиентного температурного поля печи таким образом, чтобы кристаллы, выращенные на предыдущей стадии, располагались в области испарения и являлись «исходной загрузкой» для кристаллов, растущих в области осаждения на следующей стадии. В результате реализации такого способа выращивания кристаллов С60 выход годного составляет 80-85% (масс.) и размер кристаллов достигает ~1 см.

Пример.

Навеску порошка фуллерена С60 массой 20 мг и чистотой 99,9% (масс.) загружают в кварцевую ампулу, на внутренней поверхности которой предварительно нанесен слой пироуглерода. После предварительного вакуумирования при комнатной температуре до давления 10^-3 мм рт.ст. ампулу размещают в печи, нагретой до температуры 400°С. После выдержки в течение 4 часов при непрерывной откачке температуру в зоне испарения печи повышают до 605°С и порошок С60 сублимируют в зону осаждения. Температура зоны осаждения равна 595°С. После выдержки в течение 7 часов при таких условиях ампулу герметично запаивают и перемещают относительно исходного положения на расстояние 70 мм таким образом, чтобы мелкокристаллический осадок С60 оказался в зоне испарения при температуре 605°С. В таких условиях происходит выращивание первичных кристаллов в течение 72 часов. После истечения указанного времени ампулу снова перемещают в тепловом поле печи на расстояние 70 мм и оставляют в таком положении на 72 часа - происходит пересублимация первичных кристаллов и рост вторичных кристаллов в зоне осаждения. Описанную процедуру повторяют еще один раз для получения финишных кристаллов фуллерена С60.

На фиг. 1 представлена схема эксперимента с температурным профилем печи и разным положением ампулы относительно градиентной зоны. На фиг. 2 представлен кристалл фуллерена С60, выращенный указанным способом.

Изобретение может быть использовано в полупроводниковой оптоэлектронике. Навеску порошка исходного фуллерена С60 загружают в кварцевую ампулу, внутренняя поверхность которой покрыта пироуглеродом для защиты исходного порошка от воздействия УФ излучения. Затем проводят низкотемпературную обработку в динамическом вакууме, сублимацию фуллерена при последующем нагреве и выдержке в динамическом вакууме при градиенте температур между зонами сублимации и конденсации. После этого проводят пересублимацию и выращивание первичных кристаллов С60 в статическом вакууме при градиенте температур между зонами сублимации и конденсации и выращивание финишных кристаллов С60 при тех же условиях, причём первичные и финишные кристаллы С60 выращивают в той же ампуле без перезагрузки порошка, перемещая её в соответствующую зону. Выход годных кристаллов фуллерена С60 составляет 80-85 мас. %, размер кристаллов – порядка 1 см. 2 ил., 1 пр.

Способ выращивания кристаллов фуллерена С60, включающий загрузку навески порошка исходного фуллерена С60 в кварцевую ампулу, низкотемпературную обработку в динамическом вакууме, сублимацию фуллерена при последующем нагреве и выдержке в динамическом вакууме, пересублимацию и выращивание первичных кристаллов С60 в статическом вакууме при градиенте температур между зонами сублимации и конденсации и выращивание финишных кристаллов С60 при тех же условиях, отличающийся тем, что внутреннюю поверхность ампулы покрывают пироуглеродом для защиты исходного порошка от воздействия УФ излучения, сублимацию проводят при градиенте температур между зонами сублимации и конденсации, а первичные и финишные кристаллы С60 выращивают в той же ампуле без перезагрузки порошка при ее перемещении в соответствующую зону.