RU2768954C1 - Method for obtaining gallium sulfide (ii) - Google Patents
Method for obtaining gallium sulfide (ii) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2768954C1 RU2768954C1 RU2021116860A RU2021116860A RU2768954C1 RU 2768954 C1 RU2768954 C1 RU 2768954C1 RU 2021116860 A RU2021116860 A RU 2021116860A RU 2021116860 A RU2021116860 A RU 2021116860A RU 2768954 C1 RU2768954 C1 RU 2768954C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gallium
- sulfur
- sulfide
- synthesis
- melt
- Prior art date
Links
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 17
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 4
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 12
- HLVRMBHKGAMNOI-UHFFFAOYSA-N gallium(ii) sulfide Chemical compound [Ga]=S HLVRMBHKGAMNOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 abstract description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000002360 explosive Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 2
- 239000003708 ampul Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000000539 dimer Substances 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- -1 gallium sulfides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
- B01J19/122—Incoherent waves
- B01J19/123—Ultraviolet light
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G1/00—Methods of preparing compounds of metals not covered by subclasses C01B, C01C, C01D, or C01F, in general
- C01G1/12—Sulfides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G15/00—Compounds of gallium, indium or thallium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/46—Sulfur-, selenium- or tellurium-containing compounds
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неорганической химии, а именно к получению сульфида галлия (II), являющегося перспективным материалом для полупроводниковой оптоэлектронной техники и инфракрасной оптики.The invention relates to inorganic chemistry, namely to the production of gallium (II) sulfide, which is a promising material for semiconductor optoelectronic technology and infrared optics.
Известен способ получения сульфида галлия (II) [Колесников Н.Н., Борисенко Д.Н., Борисенко Е.Б., Тимонина А.В. // Патент РФ №2623414 от 26.06.2017 Бюл. № 18] - прототип, в котором химическую реакцию Ga+S=GaS проводили в атмосфере водорода при давлении 1300-2600 Па, причем расплав галлия имел температуру TGa=1050-1100°С, расплав серы - температуру TS=300-350°С. Время синтеза сульфида галлия (II) с момента выхода печи на заданную температуру занимало около 30 минут при общей массе загрузки Ga+S равной 100 г. Процесс синтеза протекал полностью: элементарных галлия и серы, а также побочных продуктов синтеза (высших сульфидов галлия) по данным рентгенофазового анализа не обнаружено. С термодинамической точки зрения химическая реакция Ga+S=GaS должна протекать самопроизвольно(ΔG<0), и несмотря на то что вследствие большой энергии активации реакция начинается при Т>1000°С, тем не менее, начавшись, синтез в отсутствие катализатора (водорода) быстро прекращается даже при более высоких температурах вплоть до 1300°С, когда кварцевая ампула уже теряет свою механическую прочность. Поэтому в дальнейших поисках наиболее оптимальных условий получения сульфида галлия (II) кинетический фактор следует рассматривать как наиболее значимый. Существенным недостатком способа-прототипа являются технические сложности, возникающие при работе с водородом по причине его высокого химического сродства к кислороду, а также повышенным требованиям к классу взрывоопасности помещения и оборудования.A known method for producing gallium (II) sulfide [Kolesnikov N.N., Borisenko D.N., Borisenko E.B., Timonina A.V. // Patent of the Russian Federation No. 2623414 dated 06/26/2017 Bull. No. 18] - a prototype in which the chemical reaction Ga+S=GaS was carried out in a hydrogen atmosphere at a pressure of 1300-2600 Pa, and the gallium melt had a temperature T Ga =1050-1100°C, the sulfur melt had a temperature T S =300-350 °C. The synthesis time of gallium (II) sulfide from the moment the furnace reached the set temperature took about 30 minutes with a total load of Ga + S equal to 100 g. The synthesis process proceeded completely: elemental gallium and sulfur, as well as X-ray diffraction data were not found. From a thermodynamic point of view, the chemical reaction Ga+S=GaS should proceed spontaneously (ΔG<0), and despite the fact that, due to the high activation energy, the reaction starts at Т>1000°С, nevertheless, having begun, synthesis in the absence of a catalyst (hydrogen ) stops quickly even at higher temperatures up to 1300°C, when the quartz ampoule already loses its mechanical strength. Therefore, in further searches for the most optimal conditions for obtaining gallium (II) sulfide, the kinetic factor should be considered as the most significant. A significant disadvantage of the prototype method are the technical difficulties that arise when working with hydrogen due to its high chemical affinity for oxygen, as well as increased requirements for the explosive class of the premises and equipment.
Поэтому задачей настоящего изобретения является разработка способа получения сульфида галлия (II) из элементарных галлия и серы в условиях пригодных для промышленного применения с образованием однофазного продукта без использования катализатора (водорода).Therefore, the objective of the present invention is to develop a method for obtaining gallium (II) sulfide from elemental gallium and sulfur under conditions suitable for industrial use with the formation of a single-phase product without the use of a catalyst (hydrogen).
Эта задача решается за счет того, что синтез GaS проводят в вакуумированной (р≤1,33 Па) кварцевой ампуле из элементарных галлия 99,9999 % (масс.) и серы 99,9999 % (масс.), взятых в стехиометрическом соотношении. Для улучшения кинетики химической реакции кварцевую ампулу с загрузкой галлия и серы на протяжении всего процесса дополнительно облучают ультрафиолетовым излучением. Во время синтеза галлий покрывается слоем конгруэнтно плавящегося GaS, который является кинетическим экраном для олигомеров серы и пассивирует поверхность жидкого металла. Энергия диссоциации молекулы первого олигомера (димера) - сульфида серы - равна D=4,37 эВ [Б.М. Смирнов, А.С. Яценко. // Успехи физических наук. - 1996. - Т. 199. - № 3. - С. 225-245]. С точки зрения квантовой электродинамики (D=h⋅c⋅λ-1, где h - постоянная Планка, с - скорость света, λ - длина волны падающего излучения) для разрушения химической связи в молекуле S=S и получения атомарной серы требуется квант света с длиной волны λ≤284 нм. Этому диапазону длин волн удовлетворяет «дальний ультрафиолет» (по стандарту ISO-DIS-21348).This problem is solved due to the fact that GaS synthesis is carried out in an evacuated (р≤1.33 Pa) quartz ampoule from elemental gallium 99.9999% (mass) and sulfur 99.9999% (mass) taken in a stoichiometric ratio. To improve the kinetics of the chemical reaction, the quartz ampoule loaded with gallium and sulfur is additionally irradiated with ultraviolet radiation throughout the entire process. During synthesis, gallium is covered with a layer of congruently melting GaS, which is a kinetic screen for sulfur oligomers and passivates the liquid metal surface. The dissociation energy of the molecule of the first oligomer (dimer) - sulfur sulfide - is equal to D=4.37 eV [B.M. Smirnov, A.S. Yatsenko. // Successes of physical sciences. - 1996. - T. 199. - No. 3. - S. 225-245]. From the point of view of quantum electrodynamics (D=h⋅c⋅λ -1 , where h is Planck's constant, c is the speed of light, λ is the wavelength of the incident radiation), a quantum of light is required to destroy the chemical bond in the S=S molecule and obtain atomic sulfur with a wavelength λ≤284 nm. This wavelength range satisfies the "far ultraviolet" (according to ISO-DIS-21348).
Пример. Навески элементарных галлия 99,9999 % (масс.) и серы 99,9999 % (масс), взятых в стехиометрическом соотношении общей массой 100 г, загружали в кварцевую ампулу, вакуумировали до давления р≤1,33 Па и запаивали. Ампулу помещали в горизонтальную трубчатую печь таким образом, чтобы расплав галлия имел температуру TGa=1050-1100°С, расплав серы - TS=300-350°С. Во время синтеза ампулу облучали мощным источником ультрафиолетового излучения в качестве которого выступала разрядная лампа высокого давления ДРТ-240, лучистый поток которой в диапазоне длин волн 240-320 нм равен 24,6 Вт. Синтез сульфида галлия (II) завершался через 60 минут. По данным рент-генофазового анализа, представленным на Фиг. 1, побочных примесей: высших сульфидов галлия, а также элементарных галлия и серы в ампуле не обнаружено. Преимуществом предлагаемого способа синтеза сульфида галлия является возможность промышленного применения с образованием однофазного продукта без использования катализатора (водорода).Example. Samples of elemental gallium 99.9999% (wt.) and sulfur 99.9999% (wt.), taken in a stoichiometric ratio with a total weight of 100 g, were loaded into a quartz ampoule, evacuated to a pressure of p≤1.33 Pa, and sealed. The ampoule was placed in a horizontal tube furnace so that the gallium melt had a temperature T Ga =1050-1100°C, the sulfur melt - T S =300-350°C. During synthesis, the ampoule was irradiated with a powerful source of ultraviolet radiation, which was a high-pressure discharge lamp DRT-240, the radiant flux of which in the wavelength range of 240-320 nm is 24.6 W. The synthesis of gallium sulfide (II) was completed after 60 minutes. According to the X-ray diffraction data presented in Fig. 1, side impurities: higher gallium sulfides, as well as elemental gallium and sulfur were not found in the ampoule. The advantage of the proposed method for the synthesis of gallium sulfide is the possibility of industrial application with the formation of a single-phase product without the use of a catalyst (hydrogen).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021116860A RU2768954C1 (en) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | Method for obtaining gallium sulfide (ii) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021116860A RU2768954C1 (en) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | Method for obtaining gallium sulfide (ii) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2768954C1 true RU2768954C1 (en) | 2022-03-25 |
Family
ID=80819629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021116860A RU2768954C1 (en) | 2021-06-09 | 2021-06-09 | Method for obtaining gallium sulfide (ii) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2768954C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2513930C1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) | Method of producing especially pure sulphides of p-elements of group iii |
| RU2519094C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of exfoliation of layered crystalline materials |
| RU2623414C1 (en) * | 2016-11-14 | 2017-06-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of obtaining gallium (ii) sulfide |
| CN112522789A (en) * | 2020-11-30 | 2021-03-19 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Monoclinic phase Ga2S3Method and apparatus for vapor phase growth of crystal |
| CN112663135A (en) * | 2020-11-30 | 2021-04-16 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Monoclinic phase Ga2S3Method and apparatus for physical vapor phase growth of single crystal |
-
2021
- 2021-06-09 RU RU2021116860A patent/RU2768954C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2513930C1 (en) * | 2012-11-26 | 2014-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых Российской академии наук (ИХВВ РАН) | Method of producing especially pure sulphides of p-elements of group iii |
| RU2519094C1 (en) * | 2013-02-12 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of exfoliation of layered crystalline materials |
| RU2623414C1 (en) * | 2016-11-14 | 2017-06-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Method of obtaining gallium (ii) sulfide |
| CN112522789A (en) * | 2020-11-30 | 2021-03-19 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Monoclinic phase Ga2S3Method and apparatus for vapor phase growth of crystal |
| CN112663135A (en) * | 2020-11-30 | 2021-04-16 | 中国科学院福建物质结构研究所 | Monoclinic phase Ga2S3Method and apparatus for physical vapor phase growth of single crystal |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| MOLLOY J.F. et al. Dispersion properties of GaS studied by THz-TDS, CrystEngComm, 2014, v.16, pp. 1995-2000. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yuan et al. | High-yield synthesis and optical properties of gC 3 N 4 | |
| US5850064A (en) | Method for photolytic liquid phase synthesis of silicon and germanium nanocrystalline materials | |
| Sui et al. | Laser effects on phase transition for cubic Sb 2 O 3 microcrystals under high pressure | |
| Xiao et al. | Nanodiamonds from coal under ambient conditions | |
| Hall | The synthesis of diamond | |
| Wang et al. | Morphological evolution of porous silicon nitride ceramics at initial stage when exposed to water vapor | |
| RU2768954C1 (en) | Method for obtaining gallium sulfide (ii) | |
| Sukhanov et al. | Fine purification of monoisotopic 32S and 34S | |
| Grakovich et al. | Infrared laser ablation of poly (vinylidene fluoride): The Loss of HF | |
| Elswie et al. | The Bridgman method growth and spectroscopic characterization of calcium fluoride single crystals | |
| Tran et al. | Towards a direct band gap group IV Ge-based material | |
| RU2031983C1 (en) | Method for preparing crystals of chalcogenides of aiibvi-type | |
| Kolesnikov et al. | Synthesis and growth of GaSe1–x S x (x= 0–1) crystals from melt. Phase composition and properties | |
| Vogt et al. | Unique photochemistry of surface nitrate | |
| Gray et al. | Heats of mixing of carbon tetrachloride with diethyl ether, dimethyl sulphide, and pyridine | |
| EP0216664B1 (en) | Process for the production of disulfur decafluoride and sulfur hexafluoride | |
| BE897819A (en) | CHEMICAL PROCESS FOR THE PREPARATION OF ALKALINE AND ALKALINE-EARTH METALS | |
| RU2623414C1 (en) | Method of obtaining gallium (ii) sulfide | |
| RU2513930C1 (en) | Method of producing especially pure sulphides of p-elements of group iii | |
| RU2541065C2 (en) | Method of obtaining titanium sulphides | |
| US3306834A (en) | Fluorine compound manufacture | |
| Smagin et al. | Synthesis and luminescence of lead (II)-activated cadmium sulfide in poly (methyl methacrylate) | |
| Arzuov et al. | Violent surface oxidation of metals and associatedphenomena resulting from continuous irradiation with CO2laser radiation | |
| Noda et al. | Growth of AgGaS2 single crystals by chemical transport reaction | |
| Shishkin et al. | A novel method of silicon synthesis by CVD |