Zastosowanie wysokiego ciśnienia do otrzymywania materiałów

Synteza azotku galu

Azotek galu GaN to półprzewodnik o szerokiej prostej przerwie energetycznej. Znajduje zastosowanie w optoelektronice – jest wykorzystywany do konstrukcji wysokowydajnych półprzewodnikowych źródeł światła z zakresu nadfioletu oraz światła niebieskiego i zielonego (laserów półprzewodnikowych). Związki azotu wykazują silną tendencję do rozkładu, zwłaszcza w wysokiej temperaturze. Wynika to z silnego wiązania między atomami w cząsteczce azotu N2 i związanej z tym jego dużej stabilności termodynamicznej (istnienie wysokich barier energetycznych na tworzenie związków z innymi pierwiastkami, np. metalami). Dla zapewnienia stabilności termodynamicznej azotków należy stosować wysokie ciśnienia azotu. Dlatego też azotki otrzymuje się przez syntezę z pierwiastków stosując wysokie ciśnienia azotu. Wielkość zastosowanego ciśnienia zależy od energii wiązania chemicznego w otrzymywanym związku. Na przykład w związkach azotu z metalami grupy III, energia wiązania wynosi: 2,88 eV dla AlN (temperatura topnienia 3500 K), 2,24 eV dla GaN (2800 K) i 1,88 eV dla InN (2200 K); ciśnienia azotu zapewniające stabilność tych substancji wynoszą odpowiednio: 20 MPa dla AlN, 6,0 GPa dla GaN oraz ponad 6 GPa dla InN.

Krzywą równowagi dla układu N2(g)-Ga(l)-GaN(s) przedstawiono na rys. 8a. Wynika z niej, że dla zapewnienia efektywnych prędkości krystalizacji azotku galu z roztworu azotu w ciekłym galu, wymagających temperatury powyżej 1500°C, niezbędne jest stosowanie ciśnień azotu większych od 1,5 GPa. Ciśnienie takie wytwarza się w wielopłaszczowych komorach wysokociśnieniowych, o średnicach wewnętrznych do 100 mm. Krystalizację prowadzi się utrzymując w komorze stacjonarny gradient temperatury (wykorzystuje się różnice w rozpuszczalności azotu w galu w różnych temperaturach). Tak otrzymane kryształy azotku galu mają kształt płytek lub igieł sześciokątnych, odpowiadający heksagonalnej symetrii sieci (rys. 8b).

a) b)

Rysunek 8. a) krzywa równowagi układuGa(l)-N2(g)-GaN(s) (J. Karpiński, J. Jun, S. Porowski); b) monokryształy GaN otrzymywane metodą wysokociśnieniową w Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN

(aby obejrzeć powiększony rysunek, kliknij w miniaturkę)

Copyright © 1997-2024 Wydawnictwo Naukowe PWN SA
infolinia: 0 801 33 33 88