RU2777468C1 - Способ получения нанокристаллического порошка кремния - Google Patents
Способ получения нанокристаллического порошка кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777468C1 RU2777468C1 RU2021135066A RU2021135066A RU2777468C1 RU 2777468 C1 RU2777468 C1 RU 2777468C1 RU 2021135066 A RU2021135066 A RU 2021135066A RU 2021135066 A RU2021135066 A RU 2021135066A RU 2777468 C1 RU2777468 C1 RU 2777468C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- silicon powder
- nanocrystalline
- powder
- carrier gas
- Prior art date
Links
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 229910021423 nanocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 21
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 21
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims abstract description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 7
- 238000005339 levitation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011856 silicon-based particle Substances 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N silane Chemical group [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N Silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 101710036245 IL4I1 Proteins 0.000 description 2
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium Ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 1
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 1
- OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N precursor Substances N#CC(C)(C)N=NC(C)(C)C#N OZAIFHULBGXAKX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к получению наноразмерного порошка кремния газофазным методом. Предложен способ получения нанокристаллического порошка кремния, включающий испарение капли расплавленного кремния в высокочастотном электромагнитном поле противоточного индуктора, в котором она находится в состоянии левитации. Унос паров кремния в зону конденсации и охлаждения обеспечивают нисходящим ламинарным потоком газа-носителя аргона. Непрерывность получения нанокристаллического порошка кремния обеспечивается восполнением испаряемой капли равномерной подачей в нее монокристаллического кремниевого стержня. Технический результат – предложенный способ позволяет получить нанокристаллический порошок кремния со средним размером частиц менее 20 нм в непрерывном режиме экологически безопасным способом и возможностью регулировать размер частиц. 3 ил., 3 пр.
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов, а именно к получению наноразмерных порошков кремния газофазным методом, и может быть использовано в производстве литий-ионных батареях, солнечных панелях и лакокрасочных покрытиях.
Известен способ получения чистого кремния, предложенный в патенте RU № 2327639, C01B. Сущность предлагаемого способа получение кремния высокой чистоты заключается во взаимодействии диоксида кремния с чистым кремнием при температуре 1900°C с образованием газообразного монооксида кремния. Восстановление газообразного полученного монооксида кремния до элементарного кремния ведут при температуре 2300-2500°C в среде чистого метана. Данный метод позволяет получать продукт с малым содержанием примесей и высоким выходом.
Данное техническое решение не позволяет получать наноразмерный порошок кремния. Также проведение реакций при высоких температурах в среде чистого метана усложняет аппаратное оформление и приводит к повышенной взрывоопасности.
Известен способ получения порошков кремния разложением силана, при воздействии на него излучения СО2 лазера в газодинамическом реакторе (US 2013/0189161). В данном способе с помощью специального сопла формируют газовую струю силана в реакторе, лазерный луч фокусируют в пятно диаметром 2 мм под соплом на расстоянии 1 мм. Луч лазера расположен перпендикулярно по отношению к оси струе силана. Готовый порошок собирают фильтром в конце реакционной камеры. Данный способ позволяет получать наночастицы кремния размером 10 нм или меньше, с производительностью около 80 мг/ч. Структура наноразмерных порошков кремния зависит от соотношения скоростей потоков силана и аргона и от температуры, при которой проходит синтез.
Главным недостатком является низкий выход порошков нанокристаллической структуры, максимально описанный в патенте составляет 0,7 г/ч. Также использование в качестве предшественника кремния моносилана, который является взрывоопасным, делает данный способ потенциально опасным в производстве.
Наиболее близким предлагаемому изобретению является решение, предложенное в патенте RU № 2359906, C01B (прототип). В данном изобретении кремний подается в поток плазмообразующего газа под давлением 1,5-2 атм с постоянной скоростью, затем кремний испаряется в плазме СВЧ-разряда при температуре 4000-6000°C, после с помощью газообразного хладогента атомный пар конденсируется и собирается на специальном фильтре. Таким образом исходный кремний преобразуется в нанодисперсный порошок с кристаллической структурой. Данный способ позволяет получать нанокристаллический кремний размера 2-30 нм с выходом более 50%, остальной порошок представлен фракцией с размером частиц до 100 нм при скорости подачи кремниевого порошка 1 г/мин, что свидетельствует о плохой монодисперсности получаемого продукта.
Данный способ обладает рядом недостатков, которые вызывают трудности для его применения в промышленности. Одним из таких недостатков является размер исходного порошка кремния, он не должен превышать 20 мкм. Получить такой размер можно, использовав длительный механический размол, что обуславливает большую вероятность внесения загрязнений в исходное высокочистое сырье. Другим недостатком является то, что полученные частицы имеют большой разброс по размерам и данный способ не позволяет управлять размерами получаемых частиц кремния.
Технической задачей заявляемого изобретения является получение нанокристаллического порошка кремния со средним размером частиц менее 20 нм в непрерывном режиме экологически безопасным способом с высокой производительностью и возможностью регулировать средний размер частиц.
Поставленная задача решается путем разработки способа получения нанокристаллического порошка кремния в реакторе с вертикальной ориентацией, в пространство которого помещают противоточный индуктор под которым устанавливают омический нагреватель, сверху в область нагревателя опускают монокристаллический кремниевый стержень с затравкой на конце в виде шара и производят предварительный нагрев кремния для увеличения его электропроводимости, затем предварительно разогретую затравку помещают в высокочастотное поле противоточного индуктора и нагревают кремний в высокочастотном электромагнитном поле до температуры плавления, расплавленную каплю подвешивают в состоянии левитации между витками противоточного индуктора и испаряют в замкнутом непрерывном ламинарном потоке газа-носителя. Унос атомного пара в зону конденсации, затем в зону охлаждения с последующим сбором на фильтре обеспечивают тем же потоком газа-носителя. Восполнение испаряемой капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня.
Схема осуществления предлагаемого способа получения нанокристаллического порошка кремния приведена на фиг1. В круглый реактор 1, изготовленный из кварцевой трубки или другого диэлектрического материала помещают монокристаллический кремниевый стержень 2 с затравкой на конце в виде шара таким образом, чтобы затравка была в области омического нагревателя 3. Нагревателем 3 предварительно нагревают затравку до 700-900°C, затем разогретую затравку помещают в область высокочастотного 440 кГц электромагнитного поля противоточного индуктора 4 и нагревают до температуры плавления. На конце стержня 2 получают каплю 5 расплавленного кремния. Полученную каплю 5 подвешивают в область между витками индуктора 4 в состоянии бесконтактной левитации за счет уравновешивания сил, действующих на нее, и обеспечивают беспрерывное испарение кремния. Нисходящим ламинарным потоком газа-носителя 6, осуществляют унос паров в область конденсации 7 и охлаждения 8. Охлажденные нанокристаллические частицы кремния улавливают фильтром. Восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня сверху, в качестве газа-носителя и газа-охладителя используют инертный газ аргон. Абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 105 - 5*104 Па, расход газа-носителя аргона составляет 0,3 -1,2 м3/ч., непрерывную равномерную подачу монокристаллического кремниевого стержня в каплю осуществляют со скоростью 3 -5 г/ч. При других условиях осуществления процесса технический результат не достигается
Осуществление заявляемого способа получения нанокристаллического порошка кремния поясняется следующими фигурами.
Фиг1. - схема устройства для предлагаемого способа получения нанокристаллического порошка кремния, где 1 - реактор, 2 - монокристаллический кремниевый стержень, 3 - омический нагреватель, 4 - противоточный индуктор, 5 - капля расплавленного кремния, 6 - ламинарный поток газа-носителя, 7 - область конденсации, 8 - область охлаждения.
Фиг.2 - изображение, полученное посредством сканирующей электронной микроскопии полученных нанокристаллических частиц кремния,
Фиг.3. - распределение нанокристаллических частиц кремния по размерам.
Достижение технического результата подтверждается следующим примерами:
Пример 1.
При осуществление заявляемого способа восполнение капли ведут со скоростью введения монокристаллического кремниевого стержня в каплю равной 3 г/ч. В качестве газа-носителя используют аргон, абсолютное давление в зоне кварцевой трубки поддерживают равным 105 Па, а расход газа-носителя поддерживают равным 1,2 м3/ч.
Полученный продукт представляет собой нанокристаллический порошок кремния в свободно-насыпном виде со средним размером частиц <D> = 8 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составляет 98 % от скорости восполнения капали. Характеристики нанопорошка кремния, полученного в условиях Примера 1, представлены на фиг. 2.
Пример 2.
Заявляемый способ ведут в условиях Примера 1, но скорость подачи кремниевого стержня составляет 5 г/ч, а расход газа носителя поддерживают равный 0,3 м3/ч.
Полученный продукт представляет собой нанокристаллический порошок частиц кремния в свободно-насыпном виде со средним размером <D> = 16 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составил 96 % от скорости восполнения капали.
Пример 2 демонстрирует возможность регулирования получаемых частиц кремния изменяя скорость ввода кремниевого стержня и расходом газа-носителя.
Пример 3.
Заявляемый способ ведут в условиях Примера 1, но абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 5*104 Па. Полученный продукт в условиях Примера 3 представляет собой нанокристаллический порошок частиц кремния в свободно-насыпном виде со средним размером <D> = 4 нм. Выход нанокристаллического порошка кремния составил 97 % от скорости восполнения капали.
Пример 3 демонстрирует, что регулировать размер получаемых частиц кремния можно изменением давления в зоне реактора.
Из приведенных примеров видно, что разработанный способ позволяет регулировать размер получаемых нанокристаллических частиц кремния и является экологически безопасным, так как при получении нанокристаллических частиц кремния не образуются вредные химические соединения. При этом выход нанокристаллического порошка кремния выше, чем известно из других технических решений.
Claims (1)
- Способ получения нанокристаллического порошка кремния, включающий испарение кремния и конденсацию в наночастицы кристаллической структуры с последующим охлаждением, отличающийся тем, что испарение ведут из предварительно нагретой до 700-900 °C, затем расплавленной капли кремния, подвешенной в высокочастотном 440 кГц электромагнитном поле противоточного индуктора, унос паров кремния в зону конденсации и охлаждения осуществляют нисходящим ламинарным потоком газа-носителя аргон, абсолютное давление в зоне реактора поддерживают равным 105 – 5•104 Па, расход газа-носителя аргона составляет 0,3 -1,2 м3/ч., восполнение испаряющейся капли осуществляют непрерывной равномерной подачей монокристаллического кремниевого стержня со скоростью 3 -5 г/ч.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2777468C1 true RU2777468C1 (ru) | 2022-08-04 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2359906C2 (ru) * | 2007-08-31 | 2009-06-27 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" | Способ получения нанокристаллических порошков кремния |
| EP1685066B1 (en) * | 2003-11-19 | 2011-07-20 | Evonik Degussa GmbH | Nanoscale crystalline silicon powder |
| RU2497753C1 (ru) * | 2012-06-28 | 2013-11-10 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения кремния высокой чистоты |
| RU2547016C2 (ru) * | 2013-06-03 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ получения наноразмерных структур кремния |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1685066B1 (en) * | 2003-11-19 | 2011-07-20 | Evonik Degussa GmbH | Nanoscale crystalline silicon powder |
| RU2359906C2 (ru) * | 2007-08-31 | 2009-06-27 | Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" | Способ получения нанокристаллических порошков кремния |
| RU2497753C1 (ru) * | 2012-06-28 | 2013-11-10 | Борис Георгиевич Грибов | Способ получения кремния высокой чистоты |
| RU2547016C2 (ru) * | 2013-06-03 | 2015-04-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук | Способ получения наноразмерных структур кремния |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10640378B2 (en) | Induction-coupled plasma synthesis of boron nitrade nanotubes | |
| KR102307337B1 (ko) | 보론 나이트라이드 나노튜브 및 이의 제조방법 | |
| US9630162B1 (en) | Reactor and method for production of nanostructures | |
| US20120027955A1 (en) | Reactor and method for production of nanostructures | |
| KR20150011366A (ko) | 입자 제조 장치 및 방법 | |
| Meléndrez et al. | A new synthesis route of ZnO nanonails via microwave plasma-assisted chemical vapor deposition | |
| JP2016510300A (ja) | カーボンナノ構造を生成する方法および装置 | |
| KR20180074226A (ko) | 질화붕소 나노튜브 제조장치 및 이를 이용한 질화붕소 나노튜브의 제조 방법 | |
| CN108128781A (zh) | 一种纳米二氧化硅粉的生产方法 | |
| US3062638A (en) | Ultrafine metal powders | |
| US6869461B2 (en) | Fine powder of metallic copper and process for producing the same | |
| RU2777468C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического порошка кремния | |
| Sartinska | Catalyst-free synthesis of nanotubes and whiskers in an optical furnace and a gaseous model for their formation and growth | |
| TWI717497B (zh) | 矽粉末之製造方法、及矽粉末 | |
| RU2616920C2 (ru) | Способ получения нанопорошка гидрида титана | |
| CN114014297B (zh) | 一种碳纳米管环及其制备方法 | |
| KR101724359B1 (ko) | 실리콘 나노 분말의 제조방법 및 실리콘 나노 분말을 제조하기 위한 rf 열플라즈마 장치 | |
| Zaharieva et al. | Plasma-chemical synthesis of nanosized powders-nitrides, carbides, oxides, carbon nanotubes and fullerenes | |
| JP2019006674A (ja) | カーボンナノ構造を生成する方法および装置 | |
| RU2547016C2 (ru) | Способ получения наноразмерных структур кремния | |
| RU2359906C2 (ru) | Способ получения нанокристаллических порошков кремния | |
| RU2434716C2 (ru) | Способ получения нанопорошков нитрида титана | |
| KR100839020B1 (ko) | 산화마그네슘 나노분말의 제조방법 및 장치 | |
| RU2770102C1 (ru) | Способ получения нанопорошка карбида железа | |
| RU2672422C1 (ru) | Способ получения нанокристаллического порошка титан-молибденового карбида |