氮化物

含氮为-3氧化态的二元化合物

氮化物是指氮与 电负性 较小的元素形成的 二元化合物 ,不包括氮与氢或 卤族元素 的二元化合物及叠氮化物。

正文

氮与电负性较小的元素形成的二元化合物,不包括氮与氢或卤素的二元化合物及叠氮化物。按性质分为四类:① 碱金属 和 碱土金属 的氮化物,又称离子型氮化物,它们的热稳定性较低,容易 水解 产生氨和 氢 氧化物 ;②过渡元素的氮化物,称为金属型氮化物,一般具有高硬度、高 熔点 、高 化学 稳定性,并具有金属的外貌和导电性;③铜分族和锌分族元素的氮化物,是金属型和共价型之间的过渡形式,称为中间型氮化物;④硼族到硫族元素的氮化物,具有共价结构,称为共价型氮化物,一般都非常稳定。

碱金属与氮反应时生成叠氮化物,经小心加热即分解形成氮化物,其他氮化物一般都可由元素 单质 与氮直接反应制备。硼、硅、钛、钒和 的氮化物由于坚硬、难熔、能抗化学侵蚀,常用作 磨料 和制作 埚(见 氮化硼 )。金属氮化物指金属元素与氮形成的化合物。重要的有 氮化锂 (Li3N)、 氮化镁 ( Mg3N2 )、 氮化铝 ( AlN )、 氮化钛 ( 锡 )、 氮化钽 (TaN)等。其中多数不溶于水,热稳定性高,可用作高温 绝缘材料 ,例如氮化钛、氮化钽、氮化钒(VN)等。少数遇水完全 水解 生成金属 氢 氧化物 并放出氨,如氮化镁、氮化铝等。一些金属氮化物可由金属加热后直接与氮化合而成。一些是由金属、金属氧化物或金属 氯化物 在氨气流中加热制得。重要的非金属氮化物有 氮化硼 (BN)、 五氮化三磷 (P3N5)、四氮化三硅(Si3N4)等。

特性  氮是具有最高 电负性 的元素之一,只有氧, 和氯比它更高。这就意味着氮化物由一大组化合物构成。它们有广泛的性质和应用。折射材料   润滑剂 ,如六方氮化硼—BN  切割材料,如氮化硅—Si3N4   绝缘体 ,如氮化硼—BN、氮化硅—Si3N4  半导体,如 氮化镓 — GaN   金属 镀膜 ,如 氮化钛 — 锡   储氢材料,如 氮化锂 —Li3N  氮化物可分为离子氮化物、共价氮化物、间隙氮化物及之间的混合类型。

氮化物的 极化 效应Ⅲ族氮化物极化效应有自发极化和压 电极化 。 AlGaN/GaN 异质结 中的压电极化效应5倍于Al GaAs /GaAs系统。除了高的压电极化,自发极化(应变力为零时的极化)在 纤锌矿 结构Ⅲ族氮化物中同样很大,这样导致了更大的极化效应。纤锌矿Ⅲ族氮化物InN、 GaN 和 氮化铝 都是 六方晶系 。其平衡晶格 常数 为a0和c0。在无外 电场 的情况下,GaN或AlGaN层中的宏观极化强度P是平衡态下压电极化强度 PPE 与自发极化强度PSP之和。由于GaN 外延 层一般沿方向生长,所以只考虑沿此轴的 极化 。自发极化强度的值也较大,都为负值,且从GaN、InN、AlN依次升高。由于在AlGaN中,压电极化强度始终小于0,所以对于拉伸的势垒层 应力 ,压电极化强度是负值;而对于压缩的势垒层应力,压电极化强度是正值。在Ga面无应力 GaN 上生长晶格匹配的AlGaN, AlGaN将处于拉伸的势垒层应力情况下,压电极化和自发极化的方向平行,指向衬底。如果从Ga面变化为N面,自发极化和压 电极化 的方向都要反向,背向衬底。

应用领域最新研究显示,在极端条件下人工合成的贵金属氮化物具有一些不寻常的,甚至是独一无二的性质,它们可以用于半导体、 超导体 和防腐器材。过渡金属氮化物在理论上和技术上都很重要,因为它们具有很强的硬度和耐久性,而且因为在光学、 电子学 和磁学上的独特性质,它们在很多方面都很有用。美国劳伦斯•利沃摩尔国家实验室、 华盛顿哥伦比亚特区 卡内基研究所、英国原子武器研究所的科学家们利用 金刚石 砧压腔产生高压、 激光 产生高温,首次人工合成了贵金属 的氮化物。贵金属是那些不容易与其它元素形成化合物的元素。结合实验结果和 第一性原理 模型,科学家们还得到了已知的氮化铂的结构和体积 弹性模量 (反映材料硬度的量)。实验结果证实,由于它们的耐久性和可靠性,它们在半导体工业中很有用。利沃摩尔实验室 化学 与 材料科学 理事Jonathan Crowhurst说:“这个工作扩展了我们对氮化铂和氮化铱的认识,证明了这些氮化物的存在性,并且说明它们奇特的 物理性质 至少会在大规模合成生产中发挥作用。例如,氮化铂的体积弹性模量比已知的超硬 氮化硼 还要大。”目前,半导体工业中应用的是 氮化钛 ,它具有很高的强度和耐久性,但是新氮化物的耐久性比氮化钛更强。

发展前景氮化铂的合成条件是大约50吉帕(五十万个大气 压强 )和2000 开尔文 ,氮化铱的合成条件也差不多:47吉帕和1600开尔文。接下来,研究人员计划找到一种把新氮化物投入工业生产的方法。这项研究以《氮化铂和氮化铱的合成与特征》的标题发表在3月3日的Science杂志上,作者包括Jonathan Crowhurst、Babak Sadigh、Cheryl Evans、James Ferreira和Art Nelson。一种产制覆有高表面积 氮化铁 , 氮化钛 或γ- 氮化铝 之 基板 以供的 电容器 或电池组构型中作为 电能 储存元件之方法,此方法包括:(a)用一选自 卤化 铁,卤化钛或卤化铝之金属 卤化物 及一液态 挥发性 载体之溶液或浆液来涂覆一固态基板之一或二个平坦的 蚀刻 表面,该基板是一 薄片 型;(b)在介于约150及400℃间之温度下使步骤(a)之涂有金属卤化物表面膜一载体之基板与氧,空气或其结合物接触约5至602 分钟以分别转化卤化铁,卤化钛或卤化 成薄片状之 氧化物 且除去液态挥发性载体;(c)如所需地重复步骤(a)和(b)以在 基板 上得到金属氧化物之累积厚度,此累积之金属氧化物 涂层 具有高的表面积,且除去挥发性载体;(d)在介于约150及400℃下,在氧,空气或其结合物中(c)之涂有金属氧化物膜的基板约1至3小时以转化至少约95%金属 氯化物 成金属氧化物;(e)以少于约每分钟40℃之 速率 在氮气氛中缓慢地增加涂有金属氧化物之基板的温度至介于500至800℃;(f)在介于约500至800℃间使步骤(d)中所产制之涂有 氧化物 之基板与选有过剩流动之 气态氨 或 氢气 和 氮气 之 混合物 中之氮源接触1至6小时,此处理将95%以上之氧化物 涂层 分别转化成 氮化铁 , 氮化钛 或γ-氮化片层在基板上,该氮化物层具有高表面积且是导电的;且(g)冷却至室温且回收步骤(e)中所产制之涂有高表面积氮化物之 基板 。