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氮化铜:一种新型光信息记录和锂电池负极材料
2018月03月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:1383
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迄今为止,对于氮化物的研究主要集中在具有高硬度,高熔点,高化学稳定性和优异光电特性的物质上(如AlN,TiN,MoN和VN等二元金属氮化物),对于一些过渡金属(Cr,Fe,Co,Ni和Cu等)的氮化物研究较少,因为其中的金属和氮元素直接发生化合的机率较小,所以对这些以共价键结合的金属氮化物关注较少[1]

氮化铜是一种共价键金属氮化物,由于其本身结构的特点,其可应用于光信息存储和高速集成电路领域[2],实验发现当激光的能量密度在15-20kJ/cm2的范围内就可以在氮化铜膜表面刻蚀出铜的斑点或纳米铜线[3],氮化铜是一种无毒且稳定的原料,可以替代以碲元素为基的有毒材料作为光记录膜材,此外Nosaka等人发现:在HCl中的氮化铜比Cu更容易被刻蚀,因此在硅片上沉积Cu的金属线时,氮化铜薄膜可以作为掩膜层,这比现在集成电路加工中使用的Al金属线可以获得更高的信号速度[4]

氮化铜晶体是在1939年由Juza和Hahn采用高温高压法首次制得,随后Zachwieja和Jacobs制备了约为1mm长的氮化铜单晶纳米线,通过XRD发现,晶态的氮化铜是简立方的结构,晶格常数为0.3817nm[5-6]。德国多特蒙德大学物理研究所给出的结构见图1和图2所示,氮化铜薄膜是棕褐色的半透明薄膜,其在湿度为95%,温度为60的条件下放置15个月后与初始相比,没有任何光学性能的改变。氮化铜粉末晶体处于非稳态相,颜色为紫黑色,如图3所示,其在真空中360左右发生分解,即2Cu3N=6Cu+N2反应。

氮化铜晶胞属于反三氧化铼(anti-ReO3)型立方结构,空间群为Pm3m(221), XRD如图4所示,Cu原子占据立方晶胞边线的中心,N原子占据立方晶胞的顶点, 由于Cu原子未能占据晶格(111)面的紧密位置,在立方结构中留下了许多空隙,使得这种结构极为特别,当Cu原子或者其他原子填充到这些空隙位置,会引起薄膜光学和电学等性质的显著变化[7-10]

其中中科院物理研究所的纪爱玲研究员的一项青年科学基金项目:研究课题为《氮化铜结构的金属原子选择占位掺杂问题研究》, 其中讲到:关于氮化铜的选择占位掺杂问题研究刚刚起步,我们拟采用反应溅射、(等)离子束辅助沉积等薄膜生长方法,通过选择合适的金属元素(Mg、Fe、Co、In、Pd及Zn等)对氮化铜薄膜进行选择性占位掺杂,获得一系列高质量、原子结构明晰的新薄膜材料;研究掺杂后薄膜的微观结构;探索实现选择性占位掺杂的有效途经;研究掺杂后薄膜发生半导体金属相变的机理;研究掺杂后薄膜的光电磁性、热稳定性甚至超导电性等新颖的物理性质,为氮化铜基薄膜在光存储器件、半导体器件及其金属化方面的应用提供研究基础。

氮化铜(Cu3N)薄膜的制备通常采用磁控溅射方式[11],采用铜靶材作为溅射源,如果采用氮化铜靶作为溅射源,有望会获得更佳的薄膜质量,氮化铜是一种在常温下处于亚稳态的半导体材料,它的热分解温度仅为300-450,有较高的电阻率以及在红外光和可见光波段有较低的反射率,已成为目前光电存储和电子集成领域中倍受人们青睐的新材料,同时由于氮化铜的可多种离子掺杂特性[12],其有可能成为一种性能优异的锂电池负极材料。河北利福光电技术有限公司目前已经实现了氮化铜(Cu3N)粉体的批量生产,可以为客户提供高纯超细的氮化铜粉体材料。

此外河北利福光电技术已开发出氮化铁,氮化锆,氮化锂,氮化钒,氮化锗,氮化镓和氮化铟等氮化物产品40余种,可为客户定制各种纳米和亚微米级的各类氮化物,可应用于LED荧光粉,锂电池、储能材料和催化剂等领域。近期,河北利福光电又成功开发了氮化金、氮化银、氮化铂等贵金属氮化物产品,可以满足批量供货的需求。

参考文献

1、氮化铜薄膜的制备及其物理性能,岳光辉,人工晶体学报,2005,Vol 34

2、光记录材料与铁电材料的制备与性能研究,苗彬彬,硕士论文,兰州大学

3、飞秒激光烧蚀氮化铜薄膜研究,龚鹏,硕士论文,江苏大学

4、氮化物薄膜的制备及其结构与性能研究,杨磊, 硕士论文,华中师范大学

5、一种氮化铜粉体的制备方法,于三三,沈阳化工大学,发明专利CN201110411734.5

6、氮化铜薄膜的研究,肖剑荣,材料导报,2009

7、稀土金属掺杂氮化铜的第一性原理研究,吴振利, 硕士论文,南京邮电大学

8、3d过渡金属掺杂氮化铜的第一性原理研究,陈晃毓, 硕士论文,南京邮电大学

9、氮化铜薄膜及其钨掺杂的结构与性能研究,王海文,硕士论文,大连理工大学

10、氮化铜薄膜的掺杂研究及进展,李晓峰,广州化工,2013

11、射频反应磁控溅射制备氮化铜(Cu3N)薄膜及其性能研究,袁晓梅,硕士论文,兰州大学

12、氮化铜薄膜作为锂离子电池的负极材料,刘震,电源技术,2008

 

本文部分素材及图片提供:河北利福光电技术有限公司

编辑:粉体圈

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