Парателлурит активно используют в оптоэлектронике, акустооптике и в качестве компонентов оптических волокон инфракрасного диапазона. Но сейчас промышленным методом получают парателлурит с химической чистотой, которая ограничивает его применимость. Химики из РХТУ имени Д. И. Менделеева предложили новый метод синтеза парателлурита с помощью сжигания паров теллура в сухом кислороде. Они сконструировали установку для проведения синтеза и оптимизировали его условия, после чего массовая доля примесей в парателлурите снизилось до 0,000006 процента, что на порядок меньше аналогичной величины для промышленного способа (0,0001 процент). Кроме того, ученые установили закономерности, которые будут полезны для оптимизации производства, а также использованы в дальнейших разработках в области технологий оптоэлектроники и фотоники.
РХТУ им. Д.И. Менделеева # лазеры # оксид теллура # оптоэлектроника # парателлурит # фото В РХТУ научились синтезировать высокотоксичный материал для оптоэлектроники / ©www.esri.com
Результаты работы опубликованы в Journal of Alloys and Compounds. Парателлурит (оксид теллура β-TeO2) — это один из важных материалов для технологий оптоэлектронки. Из монокристаллов парателлурита изготавливают высококачественные акусто-оптические модуляторы. Также β-TeO2 используется в качестве одного из компонентов стекол, из которых изготавливают оптические волокна инфракрасного диапазона. Такие волокна применяют в хирургических и промышленных лазерах, а также экологическом мониторинге для обнаружения загрязняющих веществ.
Основной метод его синтеза в промышленности — это «мокрое» окисление теллура азотной кислотой с последующей перекристаллизацией, испарением и высокотемпературной обработкой. Так можно получить значительное количество продукта, но в нем будет содержаться множество примесей, а в процессе синтеза возникают опасные отходы.
Ученые РХТУ предложили новую методику синтеза высокочистого парателлурита за счет сжигания паров теллура в сухом кислороде. «Главной характеристикой многих материалов фотоники и оптоэлектроники, в том числе и парателлурита, является химическая чистота, без которой невозможно развитие современных технологий.
Конечно, некоторые посторонние примеси в конечном продукте неизбежны — часть из них наследуется из сырья, часть попадает в процессе синтеза, но всегда нужно стараться улучшать химическую чистоту материалов», — комментирует один из авторов работы, профессор, заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов РХТУ имени Д. И. Менделеева, Игорь Аветисов. «С новым методом синтеза парателлурита мы снизили суммарное содержание примесей до уровня 0,000006 массового процента».
Надо сказать, что в химии свои представления о чистоте. Человеку, далекому от этой науки, может показаться, что 99,999 процентов – это и так много, зачем улучшать что-то еще? Однако в некоторых индустриях это очень важно. В эксперименте ученых РХТУ имени Д. И. Менделеева чистота улучшается в 16 раз (с 0,0001 процента примесей до 0,000006). Это очень хороший результат.
Кристаллический TeO2, полученный сразу после реакции горения (а) и выращенный на стенках (б) / ©Изображения со сканирующего электронного микроскопа, предоставлены авторами исследования / Пресс-служба РХТУ имени Д. И. Менделеева
Для проведения синтеза ученые спроектировали и изготовили установку, состоящую из испарителя, реактора и приемника. В испарителе поддерживалась повышенная температура и находился расплав теллура. В реактор подавались его пары, а также сухой кислород. Теллур и кислород встречались в зоне, положением которой можно было управлять за счет изменения параметров потоков газов.
В результате образовывался парообразный оксид теллура TeO2, который потом переносился потоком инертного газа-носителя аргона в приемник — часть установки с пониженной температурой, где TeO2 уже осаждался на поверхностях с образованием кристаллитов парателлурита.
Параметры синтеза — например, температура расплава теллура, определяющая давление его паров, общее давление, расходы газа-носителя аргона и кислорода — определялись по результатам численного моделирования. К примеру, было показано, что оптимальная температура в реакторе не превышает 923 К — более высокая температура приводит к повреждению испарительного сопла и прилипанию синтезированного TeO2 к стенкам приемника.
Таким образом, ученые не только отработали новую методику синтеза высокочистого парателлурита, но и изучили механизм образования кристаллического TeO2 из паровой фазы. Установленные закономерности будут полезны для оптимизации производства, а также использованы в дальнейших разработках в области технологий оптоэлектроники и фотоники.
Источник: