Химики впервые синтезировали полупроводящий нитрид титана

Американские химики впервые получили нитрид титана состава Ti₃N₄. Полученное соединение имеет кубическую симметрию и обладает полупроводниковыми свойствами. Получить его удается пока только при очень больших давлениях и температурах выше 2 тысяч градусов Цельсия, пишут ученые в Physical Review Materials.

Наиболее устойчивый нитрид титана имеет состав TiN и обладает кристаллической решеткой со структурой NaCl, в которой атомы титана и азота чередуются в узлах кубической сетки. Такое соединение (как и другие мононитриды элементов той же группы: гафния и циркония) известны своей твердостью, очень высокой температурой плавления и химической инертностью. Предполагалось, что, как гафний и цирконий, титан может образовывать с азотом бинарные соединения с другим стехиометрических составом, в котором на три атома титана приходится четыре атома азота, однако получить и описать такое вещество до настоящего времени не удавалось. Недавно химикам удалось синтезировать метастабильную фазу пернитрида титана TiN₂, но все попытки синтезировать нитрид титана со стехиометрическим соотношением 3/4 до настоящего дня заканчивались неудачно.

Впервые получить нитрид титана состава Ti₃N₄ удалось американским ученым под руководством Тимоти Стробела (Timothy A. Strobel) из Института Карнеги в Вашингтоне. Для этого химики использовали ячейки с алмазными наковальнями с лазерным нагреванием. Давление, при котором происходило образование нужной фазы, составляло около 75 гигапаскалей (это в 750 тысяч больше атмосферного давления), а температура — около 2200 градусов Цельсия. Кристаллическая структура полученного соединения была подтверждена методами рентгено-структурного анализа и рамановской спектроскопии.

Оказалось, что полученный кристалл имеет структуру типа тетрафосфида тритория Th₃P₄ c кубической симметрией, в которой атом азота находится в октаэдрическом окружении атомов титана, а титан в свою очередь окружен восемью атомами азота. Как и предполагалось, полученное вещество обладает полупроводниковыми свойствами. При этом ширина запрещенной зоны в нем оказалась больше, чем предполагалось по предварительным оценкам, и составила около 0,8 — 0,9 электронвольт.

При снижении давления полученная кристаллическая фаза довольно долго остается устойчивой. Однако при внешнем давлении около 5 гигапаскалей кристалл начинает разлагаться на азот и мононитрид титана. Все термодинамические и электронные свойства полученного вещества были также подтверждены теоретическими оценками с использованием теории функционала плотности. Расчеты показали, что при атмосферном давлении может быть устойчива другая фаза нитрида титана Ti₃N₄, которая тоже обладает полупроводниковыми свойствами, но имеет моноклинную симметрию.

По словам ученых, полученное соединение — первый пример нитрида титана с полупроводниковыми свойствами. За счет сочетания механических и электрических свойств такой материал может быть весьма перспективным для различных оптоэлектрических приложений, если удастся сделать его устойчивым при атмосферном давлении.

Многие материалы на основе нитридов элементов группы титана весьма интересны с точки зрения их механических и физических свойств. Так, по теоретическими оценкам соединению на основе нитрида гафния принадлежит рекорд тугоплавкости. А нитрид титана состава TiN обладает еще и прекрасными адгезионными свойствами, что позволяет использовать его для увеличения адгезии клеток к пластинам, используемым в «заплатках» на сердце.

Александр Дубов