Нитрид цинка: свойства, применение, производство

Нитрид цинка — это химическое соединение, состоящее из атомов цинка и азота.

Нитрид цинка формула химическая — Zn3N2.

Он представляет собой темно-серый кристаллический порошок.

Нитрид цинка не имеет характерного запаха.

Это полупроводниковый материал, который обладает высокой термической и химической стабильностью, и поэтому используется в производстве светодиодов и лазеров.

Нитрид цинка обладает свойствами химической инертности, что делает его полезным в качестве покрытия на поверхности металлических материалов для улучшения их сопротивления коррозии и износу.

Zn3N2 обладает хорошими характеристиками прозрачности в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, что делает его полезным для создания оптических элементов — солнечных батарей и светодиодных дисплеев.

Модификации нитрида цинка

Нитрид цинка (Zn3N2) имеет различные структурные модификации, которые обусловлены изменением параметров решетки.

1. α-нитрид цинка — Zn3N2: это нестабильная форма нитрида цинка, образующаяся при низких температурах, и имеющая гексагональную решетку. Эта модификация нитрида цинка обладает высокой электропроводностью и используется в качестве материала для производства пленок, катализаторов и др.
2. β-нитрид цинка — Zn3N2(нитрид цинка 2 формула): это структура, которая образуется при более высоких температурах и давлении, чем при образовании α-нитрида цинка. Это наиболее стабильная форма нитрида цинка, имеющая кубическую решетку типа флюорита. Эта модификация нитрида цинка обладает высокой прочностью, жесткостью, теплопроводностью и оптической прозрачностью в инфракрасном диапазоне. Она используется в производстве светодиодов, лазеров, транзисторов и других электронных устройств.
3. γ-нитрид цинка — ZnN2: это структура, которая образуется при очень высоких температурах и давлениях. Его кристаллическая структура также имеет гексагональную решетку, но с более высоким параметром решетки, чем у α- и β-нитрида цинка. Эта модификация обладает магнитными свойствами, которые могут использоваться в магнитооптических устройствах и в других приложениях.
4. δ-нитрид цинка -Zn3N2: это структура, которая образуется при очень высоких температурах и давлениях. Кристаллическая структура — кубическая решеткуа Динитрид цинка — это бинарное неорганическое соединение, состоящее из трех атомов цинка и двух атомов азота. Эта форма обладает магнитными свойствами, которые также могут быть использованы в магнитооптических устройствах.

Физические и химические свойства нитрида цинка

Нитрид цинка – физические свойства

Нитрид цинка 2(Zn3N2) является полупроводником.

Нитрид цинка имеет состав — каждая молекула нитрида цинка содержит три атома цинка и два атома азота. Массовая доля цинка в нитриде цинка составляет около 81,4%, а массовая доля азота — около 18,6%.

Кристаллическая решетка нитрида цинка содержит шестикратные кольца атомов цинка, соединенных трехмерными каналами, в которых находятся атомы азота. Эта структура обеспечивает полупроводниковые свойства нитрида цинка и позволяет ему излучать свет в ультрафиолетовой области спектра.

Нитрид цинка (Zn3N2) является диамагнетиком, то есть не обладает постоянным магнитным моментом и не притягивается к магнитному полю. Это свойство связано с заполнением электронных уровней внешней оболочки атомов цинка и азота, которые образуют кубическую кристаллическую решетку.

Однако Zn3N2 может обладать слабыми ферромагнитными свойствами при низких температурах и при наличии дефектов в кристаллической решетке. Это свойство может быть использовано для создания магнитных материалов на основе нитрида цинка.

Нитрид цинка может образовывать спин-зависимые электронные состояния, которые могут использоваться в спинтронике и магнитоэлектронике. Эти свойства, связанные с магнетизмом, открывают новые возможности для использования нитрида цинка в различных областz[ электроники и информационных технологий.

Химические свойства: реакция нитрида цинка с кислотами, щелочами и другими веществами, его растворимость и др.

Степень окисления цинка в нитриде

Цинк не образует нитрид со стехиометрическим составом Zn3N2 (формула нитрид цинка), так как соединение Zn3N2 нестабильно и распадается при обычных условиях.

Цинк может образовывать другие нитриды, такие как ZnN2 или Zn(NH2)2. В этих соединениях, степень окисления нитрид цинка может быть определена следующим образом:

• В ZnN2 цинк имеет степень окисления +2, так как каждый атом азота образует две ковалентные связи с атомами цинка.
• В Zn(NH2)2 цинк также имеет степень окисления +2, так как каждый атом азота образует три ковалентные связи — две с атомами водорода и одну с атомом цинка.

Нитрид цинка степень окисления может варьироваться в зависимости от конкретного соединения и его структуры.

Растворимость нитрида цинка

Нитрид цинка ii (Zn3N2) является слаборастворимым в воде и других полярных растворителях. Его растворимость в воде составляет около 0,02 г/100 мл при комнатной температуре.

Нитрид цинка может растворяться в кислых растворах, образуя соответствующие цинковые соли и аммиак. При реакции нитрида цинка с соляной кислотой (HCl) образуется хлорид цинка (ZnCl2) и аммиак (NH3):

Zn3N2 + 6 HCl → 3 ZnCl2 + 2 NH3↑

Растворимость нитрида цинка также зависит от температуры и рН раствора. При повышении температуры растворимость нитрида цинка увеличивается, а при увеличении рН раствора он может растворяться лучше.

Нитрид цинка гидролиз

Нитрид цинка является плохо растворимым в воде веществом. Поэтому гидролиз нитрида цинка может протекать только в присутствии больших количеств воды или водных растворов щелочей. Увеличение концентрации гидроксида цинка и аммиака в реакционной смеси способствует нормальному прохождению химического процесса.

Гидролиз нитрида цинка — это медленная реакция, которая может происходить только при определенных условиях. Обычно гидролиз нитрида цинка происходит в условиях повышенной температуры или при наличии катализаторов, таких как металлические порошки или оксиды металлов.

Реакция гидролиза нитрида цинка:

Zn3N2 + 6 H2O → 3 Zn(OH)2 + 2 NH3

В результате гидролиза образуется оксид цинка (ZnO) и аммиак (NH3). При этом оксид цинка дальше может реагировать с водой и образовывать гидроксид цинка (Zn(OH)2). В общем виде реакцию гидролиза нитрида цинка можно записать так:

Zn3N2 + 6 H2O → 3 Zn(OH)2↓ + 2 NH3↑

Реакция нитрида цинка с кислотами

Нитрид цинка (Zn3N2) может реагировать с различными кислотами, образуя соответствующие цинковые соли и аммиак (NH3).

1. Нитрид цинка и азотная кислота (HNO3):

Zn3N2 + 6 HNO3 → 3 Zn(NO3)2 + 2 NH3↑

В результате этой реакции образуется нитрат цинка (Zn(NO3)2) и аммиак (NH3).

1. Нитрид цинка растворили в избытке соляной кислоты, реакция выглядит следующим образом:

Zn3N2 + 6HCl → 3ZnCl2 + 2NH3↑

В результате реакции нитрид цинка и соляная кислота образуется хлорид цинка (ZnCl2) и аммиак (NH3) в газообразном состоянии. Образовавшийся аммиак можно обнаружить по характерному запаху.

3. Реакция нитрида цинка с серной кислотой (H2SO4).

Zn3N2 + 3 H2SO4 → 3 ZnSO4 + 2 NH3↑ + H2S↑

В результате этой реакции образуется сульфат цинка (ZnSO4), аммиак (NH3) и сероводород (H2S).

1. Реакция нитрида цинка с фосфорной кислотой (H3PO4):

Zn3N2 + 6 H3PO4 → 3 Zn3(PO4)2 + 2 NH3↑

В результате этой реакции образуется фосфат цинка (Zn3(PO4)2) и аммиак (NH3).

Общей чертой всех этих реакций (нитрид цинка + кислота) является образование цинковых солей и аммиака. Реакции протекают с выделением аммиака в виде газа, что можно обнаружить по его характерному запаху.

Общее уравнение реакции между нитридом цинка и кислотой обычно записывается в следующем виде:

Zn3N2 + 6 HX → 3 ZnX2 + 2 NH3↑

где X обозначает любой анион кислоты (например, Cl в случае соляной кислоты HCl).

Нитрид цинка и щелочь – реакции взаимодействия

1. Нитрид цинка (Zn3N2) может реагировать со щелочами, образуя гидроксид цинка (Zn(OH)2) и аммиак (NH3). Нитрид цинка — гидроксид натрия – уравнение реакции:

Zn3N2 + 6 NaOH + 3 H2O → 3 Na2ZnO2 + 2 NH3↑

В результате этой реакции нитрид цинка растворили в щелочи, получили — гидроксид цинка (Zn(OH)2) и аммиак (NH3). Гидроксид цинка, который является основанием, образуется за счет реакции нитрида цинка с гидроксидами натрия (NaOH), которые являются щелочами.

Образовавшийся аммиак выделяется в виде газа, его можно обнаружить по характерному запаху. Реакция происходит при нагревании и является экзотермической, то есть сопровождается выделением тепла.

Реакция нитрида цинка со щелочами может использоваться для получения гидроксида цинка в лабораторных условиях.

Производство нитрида цинка

Описание технологического процесса производства нитрида цинка

Производство нитрида цинка — это процесс, в котором сырьевым материалом является металлический цинк и азот. Технологический процесс производства нитрида цинка включает несколько этапов:

1. Подготовка сырья: металлический цинк загружается в специальную печь, где он расплавляется. Азот подаётся в печь в виде газа.
2. Образование нитрида цинка: при смешении расплавленного цинка и газообразного азота происходит реакция образования нитрида цинка (Zn3N2):

3Zn(l) + 2N2(g) → Zn3N2(s)

1. Выделение нитрида цинка: полученный нитрид цинка выделяют из смеси путём быстрой охлаждения продуктов реакции.
2. Очистка нитрида цинка: полученный нитрид цинка подвергается очистке от примесей и других нечистот, например, путём мойки, фильтрации или других способов.
3. Сушка нитрида цинка: очищенный нитрид цинка сушат, чтобы убрать из него остаточную влагу и придать ему стабильность.
4. Формовка нитрида цинка. Пластины, порошок или гранулы.

Технологический процесс производства нитрида цинка включает в себя несколько этапов, которые начинаются с подготовки сырья и заканчиваются формовкой готового продукта.

Сырье и реагенты – для производства  нитрида цинка

1. Металлический цинк — это основной сырьевой материал. Металлический цинк используется в виде чушек или гранул.
2. Азот — это газообразный реагент, который необходим для реакции образования нитрида цинка.
3. Различные флюсы — это добавки, которые могут использоваться в процессе производства нитрида цинка для ускорения реакции или улучшения качества продукта. В технологическом процессе могут использоваться флюсы на основе карбоната натрия или карбоната калия.
4. Различные реагенты для очистки продукта — это вещества, которые используются для удаления примесей и других загрязнений после получения окончательного продукта. Для очистки нитрида цинка могут использоваться растворы кислот или щелочей, а также фильтрационные средства.

Оборудование и инструменты, необходимые для производства нитрида цинка

Для производства нитрида цинка необходимо следующее оборудование и инструменты:

1. Печь — это основное оборудование. В технологической камере осуществляется процесс реакции между металлическим цинком и азотом.
2. Различные емкости и резервуары — используются для хранения и перемещения сырьевых материалов и реагентов, а также для сбора и хранения готовой продукции.
3. Оборудование для охлаждения — используется для быстрого охлаждения продукта после его выделения из реакционной смеси.
4. Оборудование для очистки продукта — используется для удаления примесей из полученного продукта.
5. Инструменты для формовки продукта — могут включать прессовое и гранулирующее оборудование, для формовки нитрида цинка в пластины, порошок или гранулы.
6. Различные приборы и инструменты для контроля качества продукции — спектрометры, микроскопы и другое оборудование, которые используются для анализа и контроля качества нитрида цинка на различных этапах производства.

Технологии обработки нитрида цинка

1. Химическое осаждение: этот метод включает химическую реакцию между раствором цинка и аммиаком в условиях высокой температуры и давления. Преимущества этого метода — простота и высокая скорость процесса, а также возможность получения высококачественного покрытия. Недостаток – низкая степень контроля над формой и размером частиц, а также трудность регулирования состава покрытия.
2. Физическое осаждение: метод заключается в  испарении цинка в вакууме, за которым следует конденсация паров на поверхности образца. Преимущества — высокая чистота и однородность покрытия, а также возможность получения покрытий различной формы и размерами частиц. Недостатки — сложность процесса, длительность, использование специального оборудования и высокая стоимость.
3. МРЛ (молекулярно-лучевое осаждение) — это метод, который использует энергетический пучок для осаждения покрытия на поверхности образца. Преимущества этого метода включают высокую степень контроля над формой и размером частиц, а также возможность получения покрытий с высокой чистотой и однородностью. Недостатки заключаются в  сложности и длительности процесса, в высокой стоимости оборудования.
4. ПЭС (плазменное распыление) – для технологического процесса используется плазменный разряд для осаждения покрытия на поверхности образца. Преимущества этого метода включают высокую степень контроля над формой и размером частиц, а также возможность получения покрытий с высокой чистотой и однородностью. Недостатки включают сложность и длительность процесса, необходимость специального оборудования и высокую стоимость.
5. ВАХ (вакуумно-арковое осаждение) — это метод, который использует электрический разряд в вакууме для осаждения покрытия на поверхности образца. Преимущества — возможность получения покрытий с высокой чистотой и однородностью, возможность контроля над формой и размером частиц. Недостатки — сложность и длительность процесса, необходимость специального оборудования и высокую стоимость.
6. Другие методы: существуют и другие методы обработки нитрида цинка, такие как методы сол-гель, ионная имплантация, лазерное осаждение и т.д. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, которые зависят от условий применения и требований к покрытию.

Выбор метода обработки нитрида цинка зависит от требований к конечному продукту и доступности необходимых ресурсов и оборудования. При правильном выборе метода и оптимальных условий обработки, можно получить покрытия с высокой чистотой, однородностью и желаемыми свойствами.

Нитрид цинка — практическое применение

Применение нитрида цинка в производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем

Одним из основных преимуществ нитрида цинка является его высокое значение запрещенной зоны (около 3,5 эВ), что позволяет создавать приборы с высокой электрической изоляцией. Он обладает хорошей термической и механической стабильностью.

В интегральных схемах нитрид цинка может использоваться для создания низкоомных контактов к полупроводниковым устройствам, таким как транзисторы и диоды. Он также может быть использован в качестве изоляционного слоя между слоями металла, что позволяет уменьшить электрические помехи.

Нитрид цинка в производстве светодиодов

Нитрид цинка (Zn3N2) может быть использован в производстве светодиодов (LED) с различными спектрами излучения, включая ультрафиолетовый (UV) и видимый диапазоны.

В производстве UV-LED, нитрид цинка используется в качестве активного материала, который излучает в ультрафиолетовой области спектра. UV-LED на основе нитрида цинка имеют широкий спектр применения, включая обнаружение поддельных документов и банкнот, лечение поверхностных заболеваний, стерилизацию, катализ и другие.

Нитрид цинка используют в производстве светодиодов  с видимым спектром излучения (особенно в синем и фиолетовом диапазонах). Синие светодиоды на основе нитрида цинка применяются вместе с желтым фосфором для создания белого света, что позволяет использовать их в освещении.

Производство светодиодов на основе нитрида цинка также имеет некоторые технические проблемы. Они могут быть подвержены дефектам и неоднородностям, которые могут привести к низкой эффективности и короткому сроку службы. Некоторые процессы производства могут быть дорогими и сложными.

Нитрид цинка в производстве лазеров

Нитрид цинка (Zn3N2) может быть использован в производстве лазеров, особенно в ультрафиолетовом (UV) и видимом диапазонах.

В производстве UV-лазеров на основе нитрида цинка, активный материал, обычно галлий нитрид (GaN), взаимодействует с материалом для рассеяния, обычно корундом (Al2O3). Это создает мощный лазерный излучатель с длиной волны около 350 нм, который используется в микроэлектронике, медицинской технике и т.д..

Нитрид цинка применяется в производстве лазеров с видимым спектром излучения, особенно в синем и фиолетовом диапазонах. Синий лазер на основе нитрида цинка может использоваться в записи данных, изготовлении микрочипов и других областях.

Производство лазеров на основе нитрида цинка имеет свои технические сложности. Некоторые из них включают низкую эффективность конверсии энергии и трудности в контроле качества изготовления кристаллов.

 Нитрид цинка — применение в других отраслях —  электроника, оптика, аэрокосмическая и автомобильная промышленность и др.

1. Электроника — создание полевых транзисторов, пассивных элементов электронных схем.
2. Оптика: производство линз, оптических волокон и других элементов оптических систем.
3. Аэрокосмическая промышленность: из-за своих высоких тепловых свойств и стойкости к коррозии, нитрид цинка может использоваться для создания компонентов в космической и авиационной промышленности.
4. Автомобильная промышленность — создание материалов для термостойких покрытий двигателей, тормозных колодок и других элементов автомобильных систем.
5. Промышленность полупроводников — светодиоды, фотодетекторы и лазеры.
6. Катализ: нитрид цинка может использоваться как катализатор для превращения водорода в аммиак и других реакциях.