Как известно, в производстве светодиодов задействованы реакторы, для создания которых, как утверждают исследователи, существуют более подходящие материалы.
Анализ коррозионной стойкости различных материалов проведен в сверхкритическом растворе аммиака. Слева — сапфировое стекло до начала эксперимента. В центре — коррозионная реакция на сверхкритический аммоний-натриевый раствор. Как выяснилось – изображение справа – под воздействием хлорида аммония карбид кремния остается стабильным.
В настоящее время появилось много новых способов получения нитрида галлия (GaN), необходимого для производства светодиодов. Один из наиболее перспективных методов (аммонотермальный) предполагает наличие реактора, заполненного жидким аммиаком. По сути, это тот же гидротермальный алгоритм, который используется при получении кварца, в котором вместо воды — аммиак.
Тем не менее, высокая температура внутри аммонотермального реактора в сочетании с давлением, в 2500 раз превышающим атмосферное, а также коррозия, вызванная сверхкритическим раствором, отнюдь не укрепляют структуру камеры реактора, а, значит, ставят под вопрос эффективность производства материалов для светодиодов. Пытаясь найти решение проблемы, научный сотрудник Университета Аалто постдокторант Сами Суиконен, научный сотрудник Сиддха Пимпуткар и группа исследователей из Университета Калифорнии, Санта-Барбара, во главе с лауреатом Нобелевской премии по физике Сюдзи Накамура систематически анализировали реакцию 35 металлов, 2 металлоидов и 17 керамических материалов на три различных сверхкритических жидких состава, нагретых до 572 градусов по Цельсию.
Как отмечает Сами Суиконен,
«при использовании аммонотермального метода, энергия внутри реактора эквивалентна мощности шашки динамита, а потому условия вряд ли можно назвать безопасными».
Сплав никеля и хрома, применяемый в реакторах, не реагирует на привычный сверхкритический раствор аммиака, но уязвим при воздействии смесей, необходимых для производств GaN. Речь идет о добавлении хлорида аммония или натрия. Исследования показали, что ванадий, ниобий и карбид вольфрама стабильны во всех трех сверхкритических растворах. Однако для практического применения гораздо важнее найти материал, который будет идеально подходить для конкретной химической среды. Для аммоний-натриевого раствора это серебро; в случае с хлоридом аммония нитрид кремния и благородные металлы показывают куда более впечатляющие результаты.
Применение высококачественных материалов в силовой электронике
По мнению Суиконена, для того, чтобы заменить сплав никеля и хрома в структуре реактора другими материалами, придется полностью пересмотреть производственный процесс. Причем усовершенствованные реакторы позволили бы получать нитрид галия более высокого качества, что сократило бы количество дефектов кристалла, а, значит, гарантировало бы создание лучших светодиодов за меньшие деньги.
Новые светодиоды обеспечили бы более интенсивное освещение в расчете на единицу площади. По подсчетам Суиконена, поскольку стоимость данной продукции напрямую зависит от площади покрытия, использование материалов более высокого качества может заметно снизить цены на светодиоды. Кроме того, усовершенствованные светодиоды не так сильно нагреваются, то есть, можно будет сэкономить на установке крупных охлаждающих элементов, что опять же скажется на стоимости. Да и размеры светодиодов, а с ними и соответствующих осветительных приборов, явно уменьшатся.
Помимо использования для экономичной подсветки, усовершенствованные модели данных элементов могут также применяться в силовой электронике, сфера деятельности которой, помимо всего прочего, распространяется на обеспечение энергией электрических транспортных средств, источников питания и преобразователей.
Недавно результаты исследования Устойчивости материалов в сверхкритических растворах аммиака были опубликованы в The Journal of Supercritical Fluids.
