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Wie sehen der Stand der Technik bzw. derzeitig bekannte Lösungen aus?
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In
EP 0054650 wird die Reinigung von Chlormonosilanen durch Zugabe von Disiloxanen beschrieben, wobei die Disiloxane direkt zugegeben oder durch Zugabe von wässrigen Lösungen in situ erzeugt werden. Weiterhin wird in
WO 2009/047238 A1 beschrieben, dass während der destillation von Hexachlordisilan höchstens 10 ppb Wasser zugegen sein dürfen, da sonst dessen Aufreinigung durch die Bildung von Hexachlordisiloxan, welches einen ähnlichen Siedepunkt besitzt, erschwert wird. Außerdem wird auf die Bildung reibungsempfindlicher Zersetzungsprodukte durch Einwirkung von Feuchtigkeit hingewiesen.
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Welche Probleme oder Nachteile ergeben sich aus dem Stand der Technik? Welche Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst?
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Die zur Aufreinigung verwendeten Disiloxane dürfen nicht wie in
EP 0054650 für die Reinigung von Monosilanen beschrieben, durch Zugabe von Feuchtigkeit erzeugt werden, da diese mit Polysilanen reibungsempfindliche Zersetzungsprodukte und/oder unlösliche Festkörper bildet (vgl.
WO 2009/047238 A1 ). Bei der direkten Zugabe von Disiloxanen entsteht der Nachteil, dass diese hochrein sein müssen, was ein Kostenfaktor ist und dass bei der Zugabe einer Flüssigkeit immer auch Kontaminationen entstehen (z. B. aus der Spritze/dem Schlauch). Durch das in
WO 2009/047238 A1 beschriebene Verfahren wird zwar die Bildung von Hexachlordisiloxan vermieden, jedoch werden dadurch die kritischen Verunreinigungen wie Bor- und Metallverbindungen nicht entfernt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reinigung und Isolierung eines halogenierten Polysilans der angegebenen Art aus einem halogeniertes Polysilan enthaltenden Gemisch zu schaffen
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Wie sieht die Lösung der Aufgabe bzw. des Problems aus?
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In den Polysilan enthaltenden Gemischen werden durch Dotierung mit Sauerstoff Disiloxane erzeugt, wodurch bei Gegenwart von HCl Bor- und Metallverbindungen in schwerflüchtige Rückstände überführt werden. Bei nachfolgender Destillation o. ä. wird das OCS in gereinigter Form erhalten.
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Welche Vorteile bietet die Erfindung?
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Im Unterschied zu simplen Destillationen von halogenierten Polysilanen werden bei der erfindungsgemäßen Methode effektiv Bor- und Metallkontaminationen reduziert, wie es für die nachfolgende Verwendung in der Halbleiterindustrie unerlässlich ist. Der für die Bildung von Disiloxanen erforderliche Sauerstoff ist z. B. in Form von getrockneter Luft überall leicht und kostengünstig verfügbar und gut dosierbar (z. B. über den Druck). Es werden keine explosiven „poppy-gels” und auch keine sonstigen Ablagerungen gebildet. Der scheinbare Nachteil, dass HCl zugegeben werden muss, ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht gegeben, da bei der Herstellung der PCS-Gemische HCl entsteht, so dass bei entsprechender Reaktionsführung die notwendigen Mengen (< 0,1%) in den zu reinigenden Gemischen verbleiben. Im Unterschied zum Stand der Technik erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren, halogenierte Polysilane effektiv zu reinigen und zu isolieren, ohne die o. g. Nachteile in Kauf zu nehmen.
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Synthese kinetisch stabiler halogenierter Polysilane durch Teilabbau halogenierter Polysilane mittels Halogenolyse
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Gegenstand der Erfindung:
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Ein Gemisch halogenierter Polysilane (PCS) mit einem Atomverhältnis von Halogen:Silicium von mindestens 1:1, dass sich aufgrund seiner besonderen kinetischen Stabilität für eine Vielzahl von Anwendungen eignet..
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Welcher Stand der Technik ist hierzu bekannt?
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Rein thermisch erzeugte PCS: z. B.
M. Schmeisser und P. Voss, Z. anorg. allg. Chem., 1964, 334, 50–56; als geringfügige Abfallprodukte bei der Synthese von HSiCl
3 in einem thermischen Plasma:
WO 81/03168 ; außerdem existieren nasschemische Verfahren (als Review hierzu s.:
US 2007/007 82 52 A1 ). Weiterhin werden nichtthermische Plasmaverfahren ausgehend von Monosilanen wie SiCl
4 z. B. in
DE 10 2005 024 041 A1 beschrieben.
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Die Erfindung grenzt sich von dem gegebenen Stand der Technik insbesondere dadurch ab, dass die erhaltenen PCS-Gemische eine besondere kinetische Stabilität gegenüber bestimmten Reagenzien aufweisen. So reagieren sie z. B. bei Raumtemperatur nur sehr langsam mit elementarem Chlor.
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Welche Vorteile werden durch die Erfindung erzielt?
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Die erhaltenen PCS können aufgrund ihrer kinetischen Stabilität für Anwendungen eingesetzt werden, die aufgrund von Nebenreaktionen von der Stoffklasse der Polysilane bislang nicht zugänglich war. So z. B. das Aufbringen von PCS-Schichten auf Substrate in stark oxidierender Atmosphäre, z. B. unter Chlorgas. Weiterhin können die erhaltenen PCS durch Derivatisierung in andere Polysilanderivate überführt werden, wobei durch die besondere Stabilität weniger Nebenreaktionen, z. B. Kettenspaltungen, auftreten. Die erhaltenen Derivate können wiederum besondere kinetische Stabilität aufweisen. Manche der erhaltenen PCS-Fraktionen weisen einen hohen Anteil cyclischer Verbindungen auf und eignen sich daher für Ringöffnungspolymerisationen.
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Welche Arbeiten wurden zur Verwirklichung der Erfindung durchgeführt?
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PCS wurde aus hochhalogenierten Polysilanen durch ein spezielles Halogenierungsverfahren synthetisiert und isoliert. Das Halogenierungsverfahren hierzu wurde entwickelt.
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Verfahren zur Aufreinigung von Silizium
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Gegenstand der Erfindung:
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Aufreinigung von verunreinigtem Silicium durch Zugabe von Chlorpolysilanmischungen vor dem Aufschmelzen des Materials oder zur Schmelze. Zusätzlich kann ein Wasserstoff und/oder Sauerstoff enthaltendes Reaktionsgas in die Schmelze eingeleitet werden
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Welcher Stand der Technik ist hierzu bekannt?
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Surface Science (2006), 600 (18), 3544–3549, Zeitschrift für
Anorganische und Allgemeine Chemie (1956), 283, 372–376,
US-Patent 4312849 ,
DE-Patent 2929089 ,
EP-Patent 7063 ,
WO 2008035799 ,
WO 2003010090 ,
DE 3342496 ,
DE 3635064 ,
DE 1098931 ,
JP 32005055
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Die Erfindung grenzt sich von dem gegebenen Stand der Technik insbesondere dadurch ab, dass zur Aufreinigung von verunreinigtem Silicium kein Chlorgas, chlorhaltiges Gas oder gasförmiges Siliciumchlorid eingesetzt wird, sondern eine flüssige oder feste Chlorpolysilanmischung der allgemeinen empirischen Zusammensetzung SiClx x = 1–2,5 (PCS). Dabei kann die Zugabe des Chlorpolysilans sowohl vor dem Aufschmelzen des verunreinigten Siliciums als auch zum bereits aufgeschmolzenen Material erfolgen. Die Menge an zugesetztem Polysilan beträgt, insbesondere abhängig von der Konzentration an Verunreinigungen im eingesetzten Silicium, 1%–50% bezogen auf die Gesamtmasse des Silicium-haltigen Materials.
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Das Beimischen kann in verschiedener Art geschehen, beipielsweise durch:
- – Zugabe von PCS zum verunreinigten Si im Schmelztiegel und Schmelzen der Mischung.
- – Zudosieren von PCS in die verunreinigte Si-Schmelze.
- – Vormischen von PCS mit pulvrigem verunreinigtem Silicium und Herstellen einer Paste mit hohem PCS-Gehalt, deren Oxidationsempfindlichkeit reduziert ist; Zugabe dieser Paste zu festem oder geschmolzenem verunreinigtem Si.
- – Tempern einer bewegten Mischung von pulvrigem verunreinigtem Silicium und PCS, um ein nicht-plastisches Schüttgut mit reduzierter Oxidationsempfindlichkeit zu erhalten, das danach in den Schmelztiegel gegeben wird. Ein gewisser Verlust an Chlorsilanen wird dabei in Kauf genommen.
- – Füllen von Hohlkörpern aus Si mit PCS und Zugabe dieser Hohlkörper in den Tiegel.
- – Zugabe von PCS in verschlossenen Quarzgefäßen (z. B. Ampullen), die durch den entstehenden Gasdruck während des Erwärmens gesprengt werden.
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Welche Vorteile werden durch die Erfindung erzielt?
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Die Vorteile im Vergleich zum Einleiten von Cl2-Gas oder SiCl4 in die Schmelze (nächstliegender Stand der Technik) sind:
Das Einbringen von Chlorid in die Schmelze ohne Eintrag von Verunreinigungen und ohne Notwendigkeit aufwendiger peripherer Gassysteme, mit Ausnahme von Ausführungsformen, in denen entsprechend dem Stand der Technik Sauerstoff- und/oder Wasserstoff-haltige Gase zusätzlich eingeleitet werden.
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Die vergleichsweise einfache Handhabung der Chloridquelle und Nutzung der Methode ohne bauliche Veränderung an konventionellen Schmelztiegeln (mit Ausnahme der Abluftreinigung).
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Die mit steigender Materialtemperatur stufenweise Umwandlung von chloriertem Polysilan in Silicium unter andauernder Freisetzung von Chlorsilanen, die nach Zugabe des Materials zu längeren Umsetzungszeiten der Verunreinigungen führt.
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Die verzögerte Chloridfreisetzung und die Möglichkeit eines Vormischens von Chloridquelle und verunreinigtem Silicium, die den intensiven Kontakt zwischen Verunreinigungen und Chloridquelle sowie eine vergleichsweise homogene Verteilung von Chlorid in der Schüttung bzw. der Schmelze erlauben.
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Synthese hydrierter Polygermane
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Gegenstand der Erfindung:
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Ein Gemisch hydrierter Polygermane (HPG) mit einem Atomverhältnis von Wasserstoff:Germanium von mindestens 1:1, dass sich aufgrund seiner chemischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen eignet..
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Welcher Stand der Technik ist hierzu bekannt?
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Polygermane sind in der Fachliteratur relativ wenig vertreten. Ein Bericht über die Synthese eines phenylierten Oligogermans wurde von
K. Häberle und M. Dräger im J. Organomet. Chem., 312, (1986) 155–165 publiziert. Weiterhin werden HPG z. B. in
US 2007/0078252 A1 (Dioumaev) erwähnt, wobei dieses Patent jedoch einen nasschemischem Weg zur Knüpfung der Ge-Ge-Bindungen vorsieht und anders zusammengesetzte Verbindungen erhalten werden als die erfindungsgemäßen HPG.
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Die Erfindung grenzt sich von dem gegebenen Stand der Technik insbesondere dadurch ab, dass ausschließlich Wasserstoffsubstituenten am Germanium vorhanden sind.
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Welche Vorteile werden durch die Erfindung erzielt?
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Das HPG ist eine im technischen Maßstab verfügbare Ausgangsverbindung für die Herstellung von Germaniumschichten und zeichnet sich durch eine besonders niedrige Pyrolysetemperatur aus. Dadurch ist ein Precursor zugänglich geworden, mit dem bei besonders niedriger Temperatur Ge-Schichten auf Substraten abgeschieden werden können. Weiterhin sind Anwendungen in der Ge-Chemie denkbar, so z. B. zur Herstellung von leitfähigen Polymeren, LED's etc.
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Welche Arbeiten wurden zur Verwirklichung der Erfindung durchgeführt?
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HPG wurde aus hochhalogenierten Polygermanen durch ein spezielles Hydrierverfahren synthetisiert und isoliert.
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Synthese hydrierter Polysilagermane (HPSG).
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Gegenstand der Erfindung:
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Ein Gemisch hydrierter Polysilagermane (HPSG) mit einem Atomverhältnis von Wasserstoff:(Germanium/Silicium) von mindestens 1:1, dass sich aufgrund seiner chemischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen eignet..
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Welcher Stand der Technik ist hierzu bekannt?
(z. B. Fachliteratur, Patente, Gebrauchsmuster, Konkurrenzprodukte etc.)
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Hydrierte Polysilagermane werden in der Fachliteratur z. B. in
US 2007/0078252 A1 (Dioumaev) erwähnt, wobei dieses Patent jedoch einen nasschemischem Weg zur Knüpfung der Si-Ge-Bindungen vorsieht und anders zusammengesetzte Verbindungen erhalten werden als die erfindungsgemäßen HPSG.
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Die Erfindung grenzt sich von dem gegebenen Stand der Technik insbesondere dadurch ab, dass das HPSG einen single-source-precursor zur Abscheidung von Si-Ge-Schichten (strained silicon) darstellt.
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Welche Vorteile werden durch die Erfindung erzielt?
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Das HPSG ist ein single-source-precursor für die Herstellung von Silicium-Germaniumlegierungen, welche z. B. in Form von Schichten erhalten werden können. Dadurch können Si-Ge-Schichten bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen auf Substraten abgeschieden werden. Diese können in der Photovoltaik oder in der Elektronikindustrie eingesetzt werden. Weiterhin sind Anwendungen in der metallorganischen Chemie denkbar, so z. B. zur Herstellung von leitfähigen Polymeren, LED's etc.
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Welche Arbeiten wurden zur Verwirklichung der Erfindung durchgeführt?
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HPSG wurde aus hochhalogenierten Polysilagermanen durch ein spezielles Hydrierverfahren synthetisiert und anschließend isoliert.
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Verfahren zur Herstellung von hydrierten Polygermanen
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Wie sehen der Stand der Technik bzw. derzeitig bekannte Lösungen aus?
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- Herstellung von Polygermanen GexH2x+2 x = 2–9 durch Umsetzung von GeH4 in einer stillen elektrischen Entladung (K. M. Mackay, K. J. Sutton, Journal of the chemical society (1968) 2312–2316; S. D. Gokhale, J. E. Drake, W. L. Jolly, Journal of inorganic and nuclear chemistry 27 (1965) 1911–1916; J. E. Drake, W. L. Jolly, Proceedings of the chemical society (1961) 379–380; M. Akhtar, Synthesis and reactivity in inorganic, metal-organic and nano-metal chemistry 16 (1986) 729–748)
- Saure Zersetzung von Metallgermaniden zur Gewinnung von Oligogerman-Mischungen (E. Amberger, Angewandte Chemie 71 (1959) 372–373; L. M. Dennis, R. B. Corey, R. W. Moore, Journal of the american chemical society 46 (1924) 657–674) Umsetzung von Mg2Ge in Hydrazin mit Hydraziniumchlorid, 2–3% Digerman (F. Feher, J. Cremer, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 297 (1958) 14–22)
- Umsetzung von Ge(IV)oxid-Verbindungen mit Metallhydriden (J. M. Bellama, A. G. MacDiarmid, Inorganic Chemistry 7 (1968) 2070–2072; J. E. Drake, W. L. Jolly, Journal of the chemical society (1962) 2807–2813; W. L. Jolly, J. E. Drake, Inorganic Syntheses 7 (1963) 34–44)
- Bildung von (GeH)x aus NaGe durch hydrolyse (L. M. Dennis, N. A. Skow, Journal of the american chemical society 52 (1930) 2369–2372)
- Bildung von (GeH2)x durch saure Hydrolyse von CaGe (P. Royen, R. Schwarz, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 211 (1933) 412–422; 215 (1933) 295–309)
- Aminkatalysierte Zersetzung von Germyl-cyclopentan zu Ge2H6 und Ge3H8 (P. C. Angus, S. R. Stobart, Journal of the chemical society, chemical communications (1973) 127)
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Welche Probleme oder Nachteile ergeben sich aus dem Stand der Technik? Welche Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst?
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Nachteile: Der Stand der Technik erfordert die Herstellung und/oder Handhabung von GeH4 und liefert häufig nur geringe Ausbeuten an längerkettigem Material. Eine gezielte Synthese einzelner, insbesondere längerkettiger Verbindungen mit definierter molekularer Struktur ist nicht möglich. Aufgabe: Bereitstellung eines allgemein anwendbaren Verfahrens zur Herstellung von Polygermanen beliebiger Kettenlänge, ausgehend von wenig gefährlichen Vorstufen und unter Erhalt der in den Vorstufen vorgegebenen Struktur.
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2.3 Wie sieht die Lösung der Aufgabe bzw. des Problems aus?
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Herstellung von Gemischen hydrierter Polygermane GexHy (x ≥ 2, x ≤ y ≤ 2x + 2) durch Hydrierung von halogenierten Polygermanen GexXy (x ≥ 2, X = F, Cl, Br, I, x ≤ y ≤ 2x + 2) beliebiger Herkunft mit Metallhydrid-Verbindungen MH, MBH4, MBH4-xRx, MAlH4, AlHxR3-x sowie geeigneter Mischungen dieser Verbindungen..
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Welche Vorteile bietet die Erfindung?
(Warum sollte die Erfindung (im Vergleich zum bisher Bekannten) benutzt werden?)
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Vorteil: Die vollständige Hydrierung von Oligo- oder Polyhalogengermanen ist in der Literatur nicht beschrieben. Das Verfahren stellt einen neuen Syntheseweg zu hydrierten Oligo- und Polygermanen dar. Dabei bleibt die in den Chlorgermanen vorgebildete Struktur erhalten. Die Ausbeuten sind für längerkettige Germane deutlich verbessert im Vergleich zum Stand der Technik.
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Verfahren zur Herstellung von hydrierten Polygermasilanen
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Wie sehen der Stand der Technik bzw. derzeitig bekannte Lösungen aus?
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- Synthese von Silagermanen aus SiH4/GeH4 oder Si2H6/GeH4 mit stiller elektrischer Entladung (T. D. Andrews, C. S. G. Phillips, Journal of the chemical society A (1966) 46–48; K. M. Mackay, S. T. Hosfield, S. R. Stobart, Journal of the chemical society A (1969) 2937–2942)
- Herstellung von Silagerman-Gemischen aus der sauren Zersetzung von Si/Ge-haltigen Legierungen mit Erdalkalimetallen (P. Royen, C. Rocktäschl, Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie 346 (1966) 290–294; Angewandte Chemie 76 (1964) 302–303; P. L. Timms, C. C. Simpson, C. S. G. Phillips, Journal of the chemical society (1964) 1467–1475)
- Umsetzung von SiO/GeO-Gemischen mit Flusssäure (P. L. Timms, C. S. G. Phillips, Inorganic chemistry 3 (1964) 606–607) Umsetzung substituierter Silane mit Alkalimetall-Germaniden (A. V. G. Chizmeshya, C. J. Ritter, Changwu Hu, J. B. Tice, J. Tolle, R. A. Nieman, I. S. T. Tsong, J. Kouvetakis, Journal of the american chemical society 128 (2006) 6919–6930; C. J. Ritter, Changwu Hu, A. V. G. Chizmeshya, J. Tolle, D. Klewer, I. S. T. Tsong, J. Kouvetakis, Journal of the american chemical society 127 (2005) 9855–9864; WO 2007/062056 A2 ; WO 2007/062096 A2 ; WO 2005/015609 A2 ; DE 4306106 A1 )
- Umsetzung von Natrium-silylen mit GeH4 und nachfolgende Reaktion mit substituierten Silanen oder organischen Säuren (T. Lobreyer, H. Oberhammer, W. Sundermeyer, Angewandte Chemie 105 (1993) 587–588; DE 4306106 A1 )
- Umsetzung von Alkalimetallen mit SiH4 oder GeH4 mit nachfolgender Zugabe einer Halogenverbindung des anderen Elementes ( US 4777023 A )
- Umsetzung von Silylkalium mit Chlorgerman (R. Varma, A. P. Cox, Angewandte Chemie 76 (1964) 649)
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Welche Probleme oder Nachteile ergeben sich aus dem Stand der Technik? Welche Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst?
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- Nachteile: Herstellung und Handhabung von kurzkettigen Silanen (selbstentzündlich) und GeH4; Einführung der Hydrid-Substituenten bereits in frühen Reaktionsschritten; Teilweise mehrstufige Synthesen; Häufig sind nur bestimmte Verbindungen oder Zusammensetzungen Ge/Si zugänglich; Geringe Ausbeuten höherer Silagermane
- Aufgabe: Bereitstellung eines allgemein anwendbaren Verfahrens zur Herstellung von Silagermanen beliebiger Kettenlänge ausgehend von weniger gefährlichen Vorstufen und unter Erhalt der vorgegebenen Ge/Si-Struktur.
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Wie sieht die Lösung der Aufgabe bzw. des Problems aus?
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Herstellung von Gemischen hydrierter Polysilagermane GexSiyHx (x + y ≥ 2, x + y ≤ z ≤ 2(x + y) + 2) durch Hydrierung von halogenierten Polysilagermanen GexSiyX (x + y ≥ 2, X = F, Cl, Br, I, x + y ≤ z ≤ 2(x + y) + 2) beliebiger Herkunft mit Metallhydrid-Verbindungen MH, MBH4, MBH4-xRx, MAlH4, AlHxR3-x sowie geeigneter Mischungen dieser Verbindungen.. Die Begriffe Polysilagerman und Polygermasilan sind austauschbar. Sie bezeichnen beide Verbindungen, deren Grundstruktur durch aneinander gebundene Si- und Ge-Atome gebildet werden.
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Welche Vorteile bietet die Erfindung?
(Warum sollte die Erfindung (im Vergleich zum bisher Bekannten) benutzt werden?)
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- Vorteile: Die vollständige Hydrierung von halogenierten Silagermanen ist im Stand der Technik nicht beschrieben, Es werden Silagermane beliebiger Kettenlänge zugänglich unter Erhalt der in den halogenierten Silagermanen vorgebildeten Ge/Si-Struktur. Die Ausbeuten an längerkettigen Silagermanen sind im Vergleich zu vielen Verfahren des Standes der Technik deutlich verbessert.
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Verfahren zur Herstellung von Oligosilanen
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Wie sehen der Stand der Technik bzw. derzeitig bekannte Lösungen aus?
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Oligosilane werden im Stand der Technik allgemein durch die Hydrierung von Siliciumverbindungen mit Metall- oder Halbmetallhydriden hergestellt. Verfahren, die auf hohe Reaktionstemperaturen angewiesen sind, beispielsweise die Hydrierung von Siliciumverbindungen in Abwesenheit von Lösungsmitteln, sind für die Darstellung von Di- und Trisilan wenig geeignet, da Zersetzung unter Abspaltung von Monosilan eintritt. Verfahren, die auch unter niedrigen Reaktionstemperaturen hinreichend schnell verlaufen, um technisch interessant zu sein, benötigen ausgehend von schwer löslichen Alkali- oder Erdalkalimetallhydriden üblicherweise löslichkeitsvermittelnde Aktivatoren oder Katalysatoren. Alternativ können besser lösliche komplexe Metallhydride eingesetzt werden, die wiederum auf den genannten Aktivatoren oder Katalysatoren beruhen. Der nachfolgend dargestellte Stand der Technik beschränkt sich auf Verfahren, die in flüssigen Medien ablaufen.
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Nach
A. E. Finholt, A. C. Bond, K. E. Wilzbach, H. E. Schlesinger, Journal of the American Chemical Society 1947 (69) 2692 wird eine Lösung von LiAlH
4 in Diethylether mit flüssigem Stickstoff eingefroren und SiCl
4 aufkondensiert. Die Mischung wird aufgetaut und setzt bei 0°C Silan SiH
4 frei. Es wird ebenfalls beschrieben, dass auch LiH in Diethylether mit SiCl
4 reagiert, jedoch wesentlich langsamer als LiAlH
4. Um gute Ausbeuten an SiH
4 zu erhalten, ist außerdem ein großer Überschuss LiH nötig.
D. K. Padma, B. S. Suresh, A. R. Vasudevamurthy, Journal of Fluorine Chemistry 14 (1979) 327 beschreiben die Umsetzung von SiF
4 mit LiAlH
4 in Diethylether zu Silan. In
GB 793718 A wird eine Suspension von LiAlH
4 eingesetzt, um aus SiCl
4 Silan zu erzeugen, welches dann zu Silicium zersetzt wird. Die stöchiometrische Menge des Hydrierungsmittels ist dabei so bemessen, dass kein Diboran als Verunreinigung austritt.
GB 823496 A verwendet Aluminiumhydrid-Verbindungen in Polyether-Lösungen zur Erzeugung von Silan aus Siliciumtetrahalogeniden, welches danach zu Silicium zersetzt wird.
GB 832333 A offenbart die Herstellung von Silan aus SiCl
4 durch Hydrierung mit Ca (AlH
4)
2 , Mg(AlH
4)
2 oder AlH
3 in Tetrahydrofuran.
GB 851962 A beschreibtt die Reaktion von Halogensilanen zu SiH
4 in Lösungen von Alkalimetall-Aluminiumhydriden und in Anwesenheit von kleineren Mengen Erdalkalimetall-Aluminiumhydriden.
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In beispielsweise
GB 909950 werden Chlorsilane hydriert, indem sie in Ether-Lösungsmitteln mit Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydriden in Anwesenheit von Zink oder Zinkverbindungen umgesetzt werden.
DE 1096341 B setzt äquimolare Mischungen von NaH und AlCl
3 in Verdünnungsmitteln ein, um aus SiCl
4 Silan zu erzeugen. Beispielsweise
DE 1085505 B hydriert auch Chlorsilane mit NaH, welches durch anorganische Bor- oder Aluminiumhydride und Aluminiumhalogenide aktiviert wird.
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Beispielsweise
DE 108077 B verwendet Alkali- oder Erdalkalimetallhydride in Schmelzen von Alkali-, Erdalkali- oder Ammoniumhalogeniden, um Halogensilane zu hydrieren. Die Metallhydride werden durch Elektrolyse und Umsetzung der gebildeten Metalle mit Wasserstoff regeneriert.
EP 0105778 B1 legt die Herstellung von Silan aus Chlorsilanen durch Umsetzung mit LiH in eutektischen Mischungen geschmolzener Chlorid-Salze bei Temperaturen von 350–410°C offen. In
US 4601798 wird ein vergleichbares Verfahren mit einem LiCl-Recycling verbunden.
DE 340912 C2 setzt SiF
4 in einer Salzschmelze aus Alkali- oder Erdalkalihalogeniden mit MgH
2 unter einem Wasserstoffpartialdruck, der größer ist als der Dissoziationsdruck des Hydrids unter der Reaktiontemperatur, zu Silan um.
DE 19812587 C1 beansprucht ein Verfahren, das halogensubstituierte Siliciumverbindungen in Chloraluminat-Salzschmelzen mit Wasserstoff und fein verteilten, interstitielle Hydride bildenden Metallen hydriert.
EP 0412342 A hydriert fein verteiltes Aluminium in einer NaCl/AlCl
3-Schmelze mit Wasserstoff, um danach Chlorsilane in hydrierte Silane zu überführen.
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US 4824657 A erwärmt zunächst LiH in Tetrahydrofuran und gibt Chlorsilane zu der entstehenden Lösung, um eine Hydrierung zu erreichen. Beispielsweise in
EP 0052808 B1 wird Silan aus Halogensilanen erzeugt, indem Alkalimetallhydride in Diarylether-haltigen Lösungsmitteln bei > 225°C eingesetzt werden.
US 4407783 A verwendet Mischungen von NaH mit NaAlH
4 in cyclischen Ethern oder Dimethoxyethan bei 60–110°C, um aus SiF
4 Silan zu erzeugen. In
WO 8402332 A1 wird SiH
4 aus SiF
4 gewonnen, indem das Halogensilan-Gas durch eine Lösung von NaAlH
4 und/oder KAlH
4 in einem Polyether wie Diglyme bei 30–80°C und 1–100 atm geleitet wird.
EP 0300320 B1 beschreibt die Umsetzung von Halogensilanen SiX
4 (X = F, Cl, Br) mit Alkalimetallhydriden MH oder Alkalimetallaluminiumhydriden MAlH
4 (M = Li, Na, K) in einem Lösungsmittel zu Silan. Beispielsweise
EP 0111924 A2 und
EP 0316472 verwenden Magnesiumhydrid in Lösungsmitteln zur Erzeugung von SiH
4 aus Halogensilanen.
DE 4313130 C1 entfernt die während der Hydrierung von Halogensilanen in Ether-Lösungsmitteln auf der Oberfläche von Magnesiumhydrid-Teilchen entstehenden Magnesiumhalogenide mechanisch oder durch Ultraschall.
US 4725419 A regeneriert während der Hydrierung gebildetes Magnesiumhalogenid durch Reduktion mit Alkalimetall und anschließende Umsetzung mit Wasserstoff im verwendeten Lösungsmittel.
DE 10337309 A1 setzt ebenfalls Magnesiumhydrid in unpolaren Lösungsmitteln ein und verwendet Magnesiumhydrid-Ether-Komplexe als Hydrid-Überträger.
US 5061470 A offenbart die Herstellung von MgHCl und seine Anwendung zur Herstellung von Silan aus Halogensilanen.
GB 1110627 A setzt Na
3AlH
6 in Mischungen aus Kohlenwasserstoffen und Polyethern zur Hydrierung von Chlorsilanen ein.
US 3926833 A beschreibt, dass SiCl
4 durch Aluminiumchlorhydride AlHCl
2 oder AlH
2Cl zu Silan umgesetzt werden kann.
EP 192528 B1 beansprucht die Hydrierung von Halogensilanen durch Alkali- oder Erdalkalimetallhydride in Lösungsmitteln und in Anwesenheit eines Tris(polyether)amins als Komplexierungsmittel.
US 4855120 offenbart die Hydrierung von Tetraalkoxysilanen Si(OR)
4 mit Komplexverbindungen aus tertiären Aminen und Alan (R'
3N·AlH
3) zu Silan.
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Auch organisch substituierte Hydriermittel, Aktivatoren oder Katalysatoren sind im Stand der Technik bekannt. So setzt
DE 1034159 B komplexe Alkalimetallhydrid-Trialkylborane oder -Aluminiumtrialkoholate als Hydriermittel ein.
DE 1049835 B offenbart komplexe Alkalimetall-Trialkylalane oder Alkalimetall-Dialkylaluminiumhydride als Hydriermittel für Siliciumhalogenide.
US 3704261 A beansprucht die Hydrierung mit komplexen Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydriden und Anionen MH
nR
4-n, wobei M ein Element der Gruppe III A des Periodensystems, n 1 bis 3 und R jeweils unabhängig ein Alkyl-, Aryl-, Cycloalkyl-, Alkylaryl- oder Arylalkyl-Substituent ist.
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In
DE 1055511 B wird NaH mittels Boralkylen, Borsäureestern oder Aluminiumalkylen aktiviert.
DE 1187614 B verwendet Alkylmercaptoborane H
nB(SR)
3-n als Aktivatoren für NaH ein.
FR 1429930 A legt die Hydrierung von beispielsweise Chlorsilanen mit Alkalimetallhydriden unter Katalyse mit Alkylaluminiumhalogeniden offen. In
GB 823483 A wird NaH durch Verbindungen MR
nR'
3-n aktiviert, wobei M Aluminium, Bor oder Gallium sein kann und R einer Alkyl-, Alkoxy- oder Phenoxygruppe entspricht und R' zusätzlich auch H sein kann. Vollständige H-Substitution der Elemente wird nicht beansprucht.
US 3401183 A aktiviert Alkalimetallhydride durch Zugabe von Triarylboranen.
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Nach
A. E. Finholt, A. C. Bond, K. E. Wilzbach, H. E. Schlesinger, Journal of the American Chemical Society 1947 (69) 2692 wird zur Herstellung von Disilan Si
2H
6 bei 0°C eine Lösung von LiAlH
4 in Diethylether zu einer Lösung von Si
2Cl
6 in Diethylether getropft. Das Ausgasen des Produktes wird durch verminderten Druck unterstützt. Nach
G. W. Bethke, M. K. Wilson, Journal of Chemical Physics 1957 (26) 1107 wird Si
2Cl
6 in Dibutylether bei 0°C vorgelegt und bei 2–5 Torr festes LiAlH
4 zugegeben. Beispielsweise
JP 04130010 oder
JP 61191512 verwenden festes LiAlH
4 in Ether-Lösungsmitteln, um durch Zugabe von Si
2Cl
6 Disilan zu erzeugen.
JP 58156522 legt stattdessen das Chlorsilan in einem Ether-Lösungsmittel vor und gibt eine LiAlH
4-Lösung zu.
DE 3506071 C2 verwendet Mischungen von LiAlH
4 mit LiH in einem Ether-Lösungsmittel als Hydriermittel zur Herstellung von Disilan aus Hexachlordisilan bei –25°C bis 50°C.
BE 890356 A offenbart den Einsatz von Alkalimetallhydriden in Ether-Lösungsmitteln und unter Katalyse durch Alkalimetall-Borhydride zur Erzeugung von beispielsweise Si
2H
6 aus Si
2Cl
6.
JP 01234316 setzt zur Hydrierung eine Mischung aus LiH mit AlBr
3 oder AlBr
3/AlCl
3 ein.
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Nach P. P. Gaspar, C. A. Levy, G. M. Adair, Inorganic Chemistry 1970 (9) 1272 wird Si3Cl8 in Dibutylether vorgelegt und bei 0°C und < 20 Torr portionsweise festes LiAlH4 eingetragen, um Trisilan herzustellen.
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Welche Probleme oder Nachteile ergeben sich aus dem Stand der Technik? Welche Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst?
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Verfahren, die hohe Reaktionstemperaturen verwenden, sind zur Herstellung von Di- oder Trisilan wenig geeignet, da Zersetzung unter Abspaltung von SiH4 eintritt. Allgemein sind Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhydride billiger als die aus ihnen gewonnenen komplexen Hydride, beispielsweise Metall-Borhydride oder Metall-Aluminiumhydride. Daher sind Verfahren wirtschaftlich sinnvoller, die Alkali- oder Erdalkalihydride durch Zugabe unterstöchiometrischer Mengen von Katalysator-Verbindungen aktivieren. Im Allgemeinen sind dabei wiederum anorganische Katalysator-Verbindungen wirtschaftlicher, da insbesondere Alkyl- oder Arylsubstituierte Verbindungen der eingesetzten Elemente teurer sind. Ihre Verwendung ist nur dann sinnvoll, wenn in Lösungsmitteln gearbeitet wird, in denen selbst komplexe anorganische Hydride keine hinreichende Löslichkeit aufweisen. Dies gilt allerdings ausschließlich für unpolare Lösungsmittel, die keine oder kaum Ether- oder Polyether-Verbindungen enthalten. Zur Herstellung von insbesondere Trisilan mit einem Normaldruck-Siedepunkt von etwa 60°C sind des Weiteren Lösungsmittel oder Zusätze ungeeignet, die ähnliche oder gar niedrigere Siedepunkte aufweisen, da die nachfolgend notwendige Trennung von Produkt und Verunreinigungen zu aufwändig ist.
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Im nächstliegenden Stand der Technik (
JP 01234316 ) wird die Hydrierung von Hexachlordisilan Si
2Cl
6 durch Lithiumhydrid LiH mittels Aluminiumbromid AlBr
3 oder eine Kombination aus Aluminiumbromid und Aluminiumchlorid AlCl
3 katalysiert. LiH ist ohne katalytische Aktivierung nicht wirksam, da es in den verwendeten Lösungsmitteln und unter den Reaktionstemperaturen nicht ausreichend löslich ist. Die Anwesenheit von AlBr
3 ist dabei essentiell, reines AlCl
3 ist nicht wirksam. AlBr
3 ist jedoch wesentlich teurer als AlCl
3, so dass durch eine alternative katalytische Aktivierung des eigentlichen Hydriermittels, die ohne AlBr
3 auskommt, ein wirtschaftlicher Vorteil erreicht wird. Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche alternative katalytische Aktivierung des nicht ausreichend löslichen Hydriermittels zu erzielen.
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Wie sieht die Lösung der Aufgabe bzw. des Problems aus?
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Zur Herstellung von Oligosilanen SinH2n+2 (n = 1–3) aus jeweils Tetrachlorsilan SiCl4, Hexachlordisilan Si2Cl6 oder Octachlortrisilan Si3Cl8 wird in einem Lösungsmittel, welches mindestens eine Ether-Gruppe enthält oder Mischungen von Lösungsmitteln, welche jeweils mindestens eine Ether-Gruppe enthalten oder Mischungen von mindestens einem Lösungsmittel, welches mindestens eine Ether-Gruppe enthält, mit weiteren Lösungsmitteln, die keine Ether-Gruppen enthalten, Alkalimetallhydrid vorgelegt und AlCl3 und Lithiumbromid LiBr zugegeben. Zu dieser Mischung wird das Oligochlorsilan SinCl2n+2 (n = 1–3) zudosiert und das jeweilige Reaktionsprodukt SiH4, Si2H6 oder Si3H8 gasförmig aus dem Reaktionsraum entfernt.
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Nicht einschränkende Beispiele für Lösungsmittel, die mindestens einer Ether-Gruppe enthalten, sind Diethylether, Tetrahydrofuran, Dipropylether, Butylmethylether, Dibutylether, Diphenylether, Dioxan, Dimethoxyethan oder Diethylenglycoldimethylether. Nicht einschränkende Beispiele für Lösungsmittel, die keine Ether-Gruppe enthalten, sind aromatische Verbindungen wie Toluol, Xylol, Ethylbenzol oder Alkane wie Octan, Decan oder Paraffinöl sowie deren Mischungen. Bevorzugt werden Lösungsmittel verwendet, die einen höheren Siedepunkt als das jeweilige Produkt besitzen. Entsprechend werden zur Herstellung von Si3H8 Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische mit einem Normaldruck-Siedepunkt > 60°C eingesetzt.
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Beispiele für Alkalimetallhydrid sind LiH, Natriumhydrid (NaH), Kaliumhydrid (KH) oder deren Mischungen. Bevorzugt wird LiH eingesetzt.
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AlCl3 und LiBr können als Feststoffe oder in gelöster Form zugegeben werden. Die beiden Verbindungen können dabei getrennt voneinander oder als Gemisch eingesetzt werden. Werden die beiden Verbindungen getrennt voneinander zugegeben, so ist die Reihenfolge der Zugabe beliebig.
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Die Reaktion wird bevorzugt unter Durchmischen von flüssiger und fester Phase durchgeführt, beispielsweise durch Rühren.
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Die Herstellung der Silane erfolgt bei Temperaturen zwischen –20°C und dem Siedepunkt des eingesetzten Lösungsmittels oder der eingesetzten Lösungsmittelmischung. Bevorzugt liegt die Reaktionstemperatur zwischen –10°C und 70°C, besonders bevorzugt zwischen 0°C und 40°C.
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Das Verfahren wird bei einem Druck zwischen 10 hPa und 150 kPa durchgeführt. Dabei ist die Herstellung von Si3H8 bei vermindertem Druck von 10 hPa bis 50 kPa bevorzugt.
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Das Verhältnis der Molmengen von eingesetztem Alkalimetallhydrid zu in eingesetztem Chlorsilan enthaltenem Chlorid liegt zwischen 1:1,1 und 5:1, bevorzugt zwischen 1:1 und 1,5:1. Die Molmenge von in eingesetztem Chlorsilan enthaltenem Chlorid entspricht dabei dem vierfachen der eingesetzten SiCl4-Molmenge, dem sechsfachen der eingesetzten Si2Cl6-Molmenge bzw. dem achtfachen der eingesetzten Si3Cl8-Molmenge.
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Das Verhältnis der Molmengen von eingesetztem Alkalimetallhydrid zu eingesetztem AlCl3 liegt zwischen 1:1 und 200:1, bevorzugt zwischen 4:1 und 150:1, besonders bevorzugt zwischen 20:1 und 100:1.
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Das Verhältnis der Molmengen von eingesetztem AlCl3 zu eingesetztem LiBr liegt zwischen 1:4 und 10:1, bevorzugt zwischen 1:3 und 2:1.
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Welche Vorteile bietet die Erfindung?
(Warum sollte die Erfindung (im Vergleich zum bisher Bekannten) benutzt werden?)
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Verfahren zur Herstellung von Oligochlorgermanen
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Wie sehen der Stand der Technik bzw. derzeitig bekannte Lösungen aus?
(Vorveröffentlichungen in Form von Artikeln oder Patentschriften, Konkurrenzprodukte bitte angeben, wenn bekannt)
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Herstellung von Chloroligogermanen aus GeCl4 in kleinen Mengen bei Drücken < 1 Torr (hauptsächlich Ge2Cl6, Abscheidung öliger und fester Niederschläge in der Vakuumapparatur erwähnt) in einer Mikrowellenentladung (D. Shriver, W. L. Jolly, Journal of the american chemical society 80 (1958) 6692–6693; W. L. Jolly, C. B. Lindahl, R. W. Kopp, Inorganic chemistry 1 (1962) 958–960; I. R. Beattie, P. J. Jones, G. Reid, M. Webster, Inorganic chemistry 37 (1998) 6032–6034). Während der Darstellung von (GeCl)x aus GeCl4 und H2 im Abschreckrohr entsteht auch öliges Material unbekannter Zusammensetzung. Die thermische Zersetzung von (GeCl2)x oder (GeCl)x im Vakuum führt zu metallischem Ge, GeCl4 und kleinen Mengen Ge2Cl6 (L. M. Dennis, H. L. Hunter, Journal of the american chemical society 51 (1929) 1151–1154; R. Schwarz, E. Baronetzky, Zeitschrift für allgemeine und anorganische Chemie 275 (1954) 1–20). Die Zersetzung von Ge2Cl6 zu Ge(GeCl3)4 und GeCl4 in einer evakuierten Ampulle bei Raumtemperatur wird beschrieben, nähere Reaktionsbedingungen oder wiederholte Experimente jedoch nicht berichtet (I. R. Beattie, P. J. Jones, G. Reid, M. Webster, Inorganic chemistry 37 (1998) 6032–6034). (GeCl2)x aus der thermischen Umsetzung von GeCl4 mit Ge wird von Chlor schnell unter Bildung von reinem GeCl4 abgebaut, allerdings sind genauere Reaktionsbedingungen nicht angegeben (L. M. Dennis, H. L. Hunter, Journal of the american chemical society 51 (1929) 1151–1154).
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Welche Probleme oder Nachteile ergeben sich aus dem Stand der Technik? Welche Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst?
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- Nachteile: Niedrige Ausbeuten an Oligogermanen, Vakuumapparaturen
- Aufgabe: Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung von chlorierten Oligogermanen mit hohem Gesamtumsatz und gesteigerten Ausbeuten an Oligogermanen mit Kettenlängen > 2.
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Wie sieht die Lösung der Aufgabe bzw. des Problems aus?
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Herstellung von Gemischen chlorierter Oligogermane durch chemischen Abbau von Polychlorgerman mit Chlorgas oder durch Erwärmen von plasmachemisch hergestelltem Polychlorgerman.
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Welche Vorteile bietet die Erfindung?
(Warum sollte die Erfindung (im Vergleich zum bisher Bekannten) benutzt werden?)
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- Vorteil: Höhere Ausbeuten und höhere Umsatzraten von GeCl4 zu Oligogermanen. Oligohalogengermane sind in der Literatur so gut wie unbekannt, ihre Eigenschaften nicht beschrieben und ihre Chemie nicht untersucht worden.
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Im Sinne dieser Anmeldung bezeichnet die Abkürzung ”PCS” z. B.: Polychlorsilane alle halogenierten Polysilane der Formel SinX2n+2 bzw. der summarische Summenformel SinX2n, ∅n > 8].
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Weiterhin bezeichnet im Sinne dieser Anmeldung die Abkürzung ”OCS” z. B.: Oligochlorsilane alle halogenierten Oligosilane der Formel SinX2n+2 mit n = 2 bis 8]
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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