CN108486391A - 一种单质锗的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单质锗的制备方法,所述的单质锗表面光滑,颗粒大小分布均匀。先将二氧化锗和少量的三氧化钼均匀混合,然后混合物在氨气氛围下焙烧制备而成单质锗。此时,在氨气氛围中三氧化钼转化为氮化钼,氮化钼是合成单质锗的催化剂。本发明提供的制备方法简单易行,原料易得,合成时间较短,是一种综合性较强、适用于工业化推广的合成技术。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料单质锗及其制备方法。
背景技术
单质锗是一类重要的无机半导体材料,在生活和生产中具有广泛的应用。第一,应用在半导体领域,第二,应用在红外技术领域,第三,应用在光导纤维领域,第四,应用在化工领域,第五,应用在医药及健康食品领域,除此之外还可以应用在其它领域,作为闪烁体、荧光体、合金等的制造材料而使用。
目前关于单质锗的制备过程,往往具有成本高,制备危险性系数大及不符合绿色化学的原则。常用的制备方法是用二氧化锗在还原炉的石英管内氢气氛围中于650~680℃还原得到金属锗,此方法所用时间较长,一般需要4小时左右;而锗单质的另一种制备方法是首先将锗的富集物用浓盐酸氯化,制取四氯化锗,然后进行进一步纯化。接着利用金属氢化物(氢化锂,氢化钾,硼氢化锂)还原四氯化锗制取锗烷。最后锗烷大约在280℃分解为锗和氢气。此法同样存在着危险系数高的问题,同时金属氢化物成本较大,不利于工业化的生产和应用。
因此,与以上单质锗的制备方法相比较,本发明的优势在于制备过程中采用气体NH3,通过氨气还原GeO2,制备出来颗粒大小均一的锗单质材料。各步骤操作简单易行,合成时间短,成本较低,尺寸均匀,在各个领域都有着重要应用价值。
发明内容
本发明的目的是设计了一种新的合成锗的方法。
本发明的技术方案:
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种颗粒直径为5-10μm且分布均匀的单质锗材料是采用高温氨气还原制备而成,具体包括以下步骤:
(1)称取一定量的GeO2和2.0-10.0wt%的MoO3混合均匀,优选3.5-5%。
(2)将混合物置于管式炉中,通入氨气,流量为50-200ml/min,优选氨气流速100ml/min。
(3)升温至800-1000℃,保持0.2-5.0h以上。后降温到室温。优选温度范围是800-900℃,优选时间范围0.5-1.5h。
本发明的显著优点在于:
本发明采用二氧化锗为原料,采用氧化钼为前驱体,在氨气中合成单质锗,该前驱体可以在氨气中生成氮化钼作为合成锗的催化剂;该合成方法操作简易,对设备要求不高,而且原材料易得,时间短,生产成本低,易于工业化和规模化生产;所制备的锗单质是一系列微纳米材料,具有分布均匀、尺寸均一等优势,在化工领域和催化等领域有重要的应用前景。
附图说明
图1为不同温度以MoO3和GeO2为原料制备的锗的XRD图。
图2为不同时间以MoO3和GeO2为原料制备的锗的XRD图。
图3为不同量的MoO3和GeO2为原料制备的锗的XRD图。
图4为以MoO3在不同温度下焙烧4小时制备Mo2N的XRD图。
图5为以GeO2为原料在氨气氛围中不同温度下焙烧2h制备锗的XRD图。
图6为以GeO2为原料在氢气氛围中800℃下焙烧2h制备锗的XRD图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例:
一种单质锗的制备方法,步骤如下:
实施例一.在不同温度下,以MoO3和GeO2为原料制备单质锗,选出能合成锗的最优温度范围。
以0.5g的GeO2和0.025g(5.0%)的MoO3为原料研磨混合均匀后,平铺在石英舟上。将石英舟置于管式炉中,通入氨气,流量为100ml/min。升温至700℃,保持0.5h,后降温到室温,合成单质锗。采用与上述同样的操作过程,分别在800℃和900℃时,在同样的其余条件下进行合成单质锗。图1是在不同温度下制备单质锗的XRD图,从图中可以看出,在800℃以上时可以生成单质锗,在800℃以下不能生成单质锗。图4是考虑温度高,能量损耗大的问题,因此,选择800-900℃为最优温度范围。800℃和900℃时产品颗粒直径分别为5-10μm、10-15μm。
实施例二.在不同时间下,以MoO3和GeO2为原料制备单质锗,选出能合成锗的最优时间范围。
以0.5g的GeO2和0.025g(5.0%)的MoO3为原料研磨混合均匀后,平铺在石英舟上。将石英舟置于管式炉中,通入氨气,流量为100ml/min。升温至800℃,保持10分钟,后降温到室温,合成单质锗。在同样的其余条件下进行合成单质锗,保持不同的时间(0.5h,1h,2h,4h)。图2是在不同时间下制备单质锗的XRD图,从图中可以看出,在10分钟以上时可以生成单质锗,随着时间的增加,结晶度增加,因此,选择0.5-1.5小时为最优时间范围。
10分钟时所得产品的粒径为5-10μm,随着时间的延长,在0.5小时以上时所得产品的直径为10-20μm。
实施例三.以不同量的MoO3和GeO2为原料制备单质锗,选出能合成锗的最优MoO3用量范围。
以0.5g的GeO2和0.025g(5.0wt%)的MoO3为原料研磨混合均匀后,平铺在石英舟上。将石英舟置于管式炉中,通入氨气,流量为100ml/min。升温至800℃,保持0.5h,后降温到室温,合成单质锗。在同样的其余条件下,改变MoO3的加入量,分别加入0.0025g(0.5wt%),0.005g(1.0wt%),0.01g(2.0wt%)。图3是在GeO2中加入不同量MoO3制备单质锗的XRD图,从图中可以看出,在加入2.0wt%以上的MoO3时可以生成单质锗,因此,选择的最优用量范围为3.5-5%。
2.0wt%时有少量的氮化锗,5.0wt%时全部转化成锗。颗粒直径均为5-10μm。
实施例四:以MoO3为原料,在不同温度下合成氮化钼。
称取0.5gMoO3,平铺在石英舟上。将石英舟置于管式炉中,通入氨气,流量为100ml/min。升温至600℃,保持0.5h,后降温到室温,合成单质锗。同样的其余条件下,改变温度分别为700℃,800℃和900℃时,在同样的条件下进行合成单质锗。图4是在不同温度下制备氮化钼的XRD图,从图中可以看出,在700℃以上时可以生成氮化钼,因此在制备锗的过程中,加入的是三氧化钼,但是氮化钼在起催化剂的作用。和对比例一相比,降低了锗的生成温度。
对比例:
对比例一:以GeO2为原料,在氨气氛围中不同温度下制备单质锗。
称取0.5g GeO2,平铺在石英舟上,将石英舟置于管式炉中,通入氢气,流量为100ml/min。升温至700℃,焙烧2小时,随后降至室温。在同样的其余条件下,改变焙烧温度,分别在800℃,900℃,950℃焙烧制备单质锗。图5是在氨气氛围中不同时间下制备的单质锗的XRD图,从图中可以看出,在800℃以上时会生成氮化锗,随着温度的升高,在950℃时,大部分的氮化锗被还原成单质锗。
对比例二:以GeO2为原料,在氢气氛围中不同时间下制备单质锗。
称取0.5g GeO2,平铺在石英舟上,将石英舟置于管式炉中,通入氢气,流量为100ml/min。升温至800℃,焙烧4小时,随后降至室温。在同样的其余条件下,改变焙烧时间,分别焙烧1小时、2小时,制备单质锗。图6是在氢气氛围中不同时间下制备的单质锗的XRD图,从图中可以看出,在2小时及以上时可以生成单质锗,比在氨气氛围中所用的时间要长。
Claims (7)
1.一种单质锗的制备方法,其特征在于:以二氧化锗为原料,添加三氧化钼MoO3和/或氮化钼Mo2N,在氨气氛围下还原得到单质锗;此时氧化钼在氨气氛围下生成的氮化钼作为合成锗的催化剂。
2.根据权利要求1所述单质锗的制备方法,其特征在于,具体步骤为:先将二氧化锗和二氧化锗质量1.0%-10.0wt%的三氧化钼和/或氮化钼混合均匀,再将混合物置于氨气氛围中,于800-1100℃,保持时间为10分钟以上,即可得到单质锗。
3.根据权利要求1所述单质锗的制备方法,其特征在于:三氧化钼和/或氮化钼的添加量二氧化锗质量的3.5-5%。
4.根据权利要求2所述单质锗的制备方法,其特征在于:混合物置于氨气氛围中升温至800-1000℃,保持0.2-5.0h以上后降温到室温。
5.根据权利要求2或4所述单质锗的制备方法,其特征在于:优选温度范围是800-900℃,优选时间范围0.5-1.5h。
6.根据权利要求2所述单质锗的制备方法,其特征在于:将混合物置于管式炉中,通入氨气,流量为50-200ml/min,优选氨气流速100ml/min。
7.根据权利要求1或2所述单质锗的制备方法,其特征在于:所述单质锗表面光滑,颗粒大小分布均匀,颗粒直径为5-20μm。
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