Термобарический синтез кристаллического нитрида углерода

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.

Из анализа полученных данных можно сделать вывод, что в вышеуказанных термобарических условиях

аморфный нитрид углерода, полученный в результате реакции термораспада роданида цинка, кристаллизуется в виде а- и р-фаз, а также фаз неизвестного состава и строения. Использование в качестве исходного материала аморфного нитрида углерода, синтезированного из различных начальных веществ, приводит к образованию продукта с примерно равным содержанием а- и Р-фаз C3N4- Следует отметить, что содержание образовавшихся в результате термобарического синтеза кристаллических фаз весьма мало, что препятствует их выделению и проведению более детальных исследований.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 01-03-3284).

1. LiuA.Y., Cohen M.L. Science, 1989, v. 245, p. 841-843.

2. Корсунский В.Л., Пепекин В.И. Успехи химии, 1997, т. 66, № 11, с. 1003-1014.

3. Chen-Bao Cao e. a. Diamound and Relat. Mater., 2003, v. 12, p. 1070-1078.

4. Бурдина К.П. и др. Изв. АН. Сер. хим., 2002, № 9, с. 1501-1509.

5. Matsumoto S., Xie E.-Q, Izumi F. Diamound and Relat. Mater., 2000, v. 9, p. 94-101.

6. Картотека ASTM.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.chem.msu.su/