stringtranslate.com

Трифторид азота

Трифторид азота ( NF
3) — неорганический , бесцветный, негорючий , токсичный газ со слегка затхлым запахом. Он находит все более широкое применение в производстве плоских дисплеев , фотогальваники , светодиодов и другой микроэлектроники . [6] Трифторид азота также является чрезвычайно сильным и долгоживущим парниковым газом . Его атмосферная нагрузка превысила 2 части на триллион в 2019 году и удваивалась каждые пять лет с конца 20 века. [7] [8]

Синтез и реакционная способность

Трифторид азота не существовал в значительных количествах на Земле до его синтеза человеком. Это редкий пример бинарного фторида, который можно получить непосредственно из элементов только при очень необычных условиях, таких как электрический разряд. [9] После первой попытки синтеза в 1903 году Отто Рафф получил трифторид азота электролизом расплавленной смеси фторида аммония и фторида водорода . [10] Он оказался гораздо менее реакционноспособным, чем другие тригалогениды азота : трихлорид азота , трибромид азота и трийодид азота , которые взрывоопасны. Единственный среди тригалогенидов азота он имеет отрицательную энтальпию образования . В наше время его готовят как прямой реакцией аммиака и фтора, так и разновидностью метода Раффа. [11] Поставляется в баллонах под давлением.

НФ
3мало растворим в воде, не вступая в химическую реакцию. Он неосновный с низким дипольным моментом 0,2340 Д. Напротив, аммиак является основным и высокополярным (1,47 Д). [12] Это различие возникает из-за того, что атомы фтора действуют как электроноакцепторные группы, притягивая практически все неподеленные пары электронов на атоме азота.

Подобно дикислороду , NF 3 является мощным, но вялым окислителем. [11] Он окисляет хлористый водород до хлора: [ нужна ссылка ]

2 NF 3 + 6 HCl → 6 HF + N 2 + 3 Cl 2

Однако он разрушает (взрывоопасно) органические соединения только при высоких температурах. Следовательно, в стандартных условиях он совместим с некоторыми пластиками, а также со сталью и монелем . [11]

При температуре выше 200–300 °C NF 3 радикализируется до дифторида азота и свободных радикалов фтора. В присутствии металлов для удаления радикалов фтора смесь охлаждают с образованием тетрафторгидразина :

2 NF 3 + Cu → N 2 F 4 + CuF 2

NF 3 реагирует с фтором и пентафторидом сурьмы с образованием тетрафтораммониевой соли: [11]

НФ 3 + Ф 2 + СбФ 5 → НФ+
4СбФ−
6

Смеси NF 3 и B 2 H 6 взрывоопасны даже при криогенных температурах, реагируя с образованием газообразного азота , трифторида бора и плавиковой кислоты . [13]

Приложения

Офорт

Трифторид азота в основном используется для удаления кремния и соединений кремния при производстве полупроводниковых устройств, таких как ЖК-дисплеи , некоторые тонкопленочные солнечные элементы и другая микроэлектроника. В этих приложениях NF
3первоначально расщепляется в плазме . Образующиеся радикалы фтора являются активными агентами, атакующими поликремний , нитрид кремния и оксид кремния . Их также можно использовать для удаления силицида вольфрама , вольфрама и некоторых других металлов. Помимо использования в качестве травителя при изготовлении устройств, NF
3также широко используется для очистки камер PECVD .

НФ
3 легче диссоциирует при разряде низкого давления по сравнению с перфторированными соединениями (ПФУ) и гексафторидом серы ( SF
6). Большее количество генерируемых таким образом отрицательно заряженных свободных радикалов может привести к более высокой скорости удаления кремния и обеспечить другие технологические преимущества, такие как меньшее остаточное загрязнение и более низкое суммарное зарядовое напряжение на изготавливаемом устройстве. Как несколько более потребляемый травильный и чистящий агент, NF 3 также рекламируется как экологически предпочтительный заменитель SF.
6или ПФУ, такие как гексафторэтан . [14]

Эффективность использования химикатов, применяемых в плазменных процессах, широко варьируется в зависимости от оборудования и приложений. Значительная часть реагентов выбрасывается в поток выхлопных газов и в конечном итоге может быть выброшена в атмосферу Земли. Современные системы снижения выбросов могут существенно снизить выбросы в атмосферу. [15] НФ
3не подвергался существенным ограничениям использования. Годовая отчетность НФ
3Производство, потребление и выбросы отходов крупными производителями потребовались во многих промышленно развитых странах в качестве реакции на наблюдаемый рост атмосферы и международный Киотский протокол . [16]

Высокотоксичный газообразный фтор (F 2 , двухатомный фтор ) является климатически нейтральной заменой трифторида азота в некоторых производственных приложениях. Это требует более строгого обращения и мер безопасности, особенно для защиты производственного персонала. [17]

Трифторид азота также используется в лазерах на фториде водорода и фториде дейтерия , которые относятся к типам химических лазеров . Там также предпочтительнее газообразный фтор из-за его более удобных в обращении свойств.

Парниковый газ

Рост концентрации NF 3 в атмосфере с 1990-х годов показан на правом графике вместе с подгруппой аналогичных искусственных газов. Обратите внимание на масштаб журнала. [7]

НФ
3является парниковым газом , потенциал глобального потепления (ПГП) которого в 17 200 раз превышает потенциал CO.2если сравнивать за 100-летний период. [18] [19] [20] По ПГП он занимает второе место после Сан-Франциско .
6в группе парниковых газов , признанных Киотским протоколом , и NF
3был включен в эту группу с 2013 года и начала второго периода действия обязательств Киотского протокола. По оценкам, его время жизни в атмосфере составляет 740 лет, [18] хотя другие работы предполагают немного более короткое время жизни — 550 лет (и соответствующий ПГП — 16 800). [21]

Хотя НФ
3имеет высокий ПГП, долгое время считалось, что его радиационное воздействие в атмосфере Земли невелико, ошибочно предполагая, что в атмосферу выбрасываются лишь небольшие количества. Промышленное применение НФ
3обычно расщепляют его, тогда как в прошлом ранее использовались регулируемые соединения, такие как SF
6и ПФУ часто выпускались. Исследования поставили под сомнение предыдущие предположения. NF используется в крупномасштабных приложениях, таких как производство компьютерной памяти DRAM , производство плоских дисплеев и крупномасштабное производство тонкопленочных солнечных элементов.
3. [21] [22]

Концентрация трифторида азота на нескольких широтах с 2015 года. [8]
NF3 измерен в рамках Advanced Global Atmospheres Gas Experiment (AGAGE) в нижних слоях атмосферы ( тропосфере ) на станциях по всему миру. Численность дана как среднемесячная мольная доля незагрязненных территорий в частях на триллион .

С 1992 года, когда было произведено менее 100 тонн, производство выросло примерно до 4000 тонн в 2007 году и, по прогнозам, значительно увеличится. [21] Ожидается, что к 2010 году мировое производство NF 3 достигнет 8000 тонн в год. На сегодняшний день это крупнейший в мире производитель NF .
3— американская промышленная газовая и химическая компания Air Products & Chemicals . По оценкам, 2% производимого NF
3выбрасывается в атмосферу. [23] [24] Робсон прогнозировал, что максимальная концентрация в атмосфере составляет менее 0,16 частей на триллион (ppt) по объему, что обеспечит менее 0,001 Втм -2 ИК-воздействия. [25] Средняя глобальная концентрация NF 3 в тропосфере выросла примерно с 0,02 частей на триллион, мольная доля сухого воздуха) в 1980 году до 0,86 частей на миллион в 2011 году, со скоростью увеличения 0,095 частей на триллион в год , или около 11% в год, а межполушарный градиент соответствует выбросам, происходящим преимущественно в Северном полушарии, как и ожидалось. Этот темп роста в 2011 году соответствует примерно 1200 метрическим тоннам выбросов NF 3 в год во всем мире, или примерно 10% оценок мирового производства NF 3 . Это значительно более высокий процент, чем предполагалось промышленностью, и, таким образом, это усиливает аргументы в пользу инвентаризации производства NF 3 и регулирования его выбросов. [26] Одно исследование, соавтором которого выступили представители отрасли, предполагает, что вклад выбросов NF 3 в общий бюджет парниковых газов при производстве тонкопленочных Si-солнечных элементов очевиден. [27]

РКИК ООН в контексте Киотского протокола решила включить трифторид азота во второй период соблюдения Киотского протокола , который начинается в 2012 году и заканчивается либо в 2017, либо в 2020 году. Следуя этому примеру, Протокол по выбросам парниковых газов WBCSD/WRI вносит поправки во все свои положения. стандарты (корпоративные, продуктовые и область применения 3), чтобы также охватить NF 3 . [28]

Безопасность

Контакт кожи с NF
3не опасен и относительно незначительно раздражает слизистые оболочки и глаза. Это раздражитель легких, токсичность которого значительно ниже, чем у оксидов азота , а чрезмерное воздействие при вдыхании вызывает превращение гемоглобина в крови в метгемоглобин , что может привести к состоянию метгемоглобинемии . [29] Национальный институт охраны труда (NIOSH) указывает, что концентрация, которая непосредственно опасна для жизни или здоровья (значение IDLH), составляет 1000 частей на миллион. [30]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Это давление пара — это давление при его критической температуре — ниже обычной комнатной температуры .

Рекомендации

  1. ^ Воздушные продукты; Физические свойства трифторида азота
  2. ^ Синке, GC (1967). «Энтальпия диссоциации трифторида азота». Дж. Физ. Хим . 71 (2): 359–360. дои : 10.1021/j100861a022.
  3. ^ Неорганическая химия , с. 462, в Google Книгах.
  4. ^ abc Карманный справочник NIOSH по химическим опасностям. «#0455». Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  5. ^ «Трифторид азота». Непосредственно опасные для жизни и здоровья концентрации (IDLH) . Национальный институт охраны труда и здоровья (NIOSH).
  6. ^ Ричард Коннифф (13 ноября 2008 г.). «Парниковый газ, о котором никто не знал». Йельская школа окружающей среды.
  7. ^ ab «Индикаторы изменения климата: концентрации парниковых газов в атмосфере - рисунок 4». Агентство по охране окружающей среды США. 27 июня 2016 г. Проверено 05 марта 2021 г.
  8. ^ ab «Атмосферная колба NF3». Национальное управление океанических и атмосферных исследований. 2020-06-30.
  9. ^ Лидин, Пенсильвания; Молочко В.А.; Андреева, Л.Л. (1995). Химические свойства неорганических веществ(на русском). стр. 442–455. ISBN 978-1-56700-041-2.
  10. ^ Отто Рафф , Йозеф Фишер, Фриц Люфт (1928). «Дас Стикстофф-3-фторид». Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie . 172 (1): 417–425. дои : 10.1002/zaac.19281720132.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ^ abcd Филип Б. Хендерсон, Эндрю Дж. Войтек «Соединения фтора, неорганические, азот» в Энциклопедии химической технологии Кирка-Отмера , 1994, John Wiley & Sons, Нью-Йорк. doi :10.1002/0471238961.1409201808051404.a01 Дата публикации статьи в Интернете: 4 декабря 2000 г.
  12. ^ Клапотке, Томас М. (2006). «Азотно-фтористые соединения». Журнал химии фтора . 127 (6): 679–687. doi :10.1016/j.jfluchem.2006.03.001.
  13. ^ Парри, Роберт В. и Томас К. Биссо. «Получение и свойства трифторида фосфора-борана и трифторида фосфора-борана-d 3 1 ». Журнал Американского химического общества 78, вып. 8 (1956): 1524–1527.
  14. ^ Х. Райхардт, А. Френцель и К. Шобер (2001). «Экологически чистое вафельное производство: НФ»
    3    дистанционная микроволновая плазма для очистки камеры». Микроэлектроника . 56 (1–2): 73–76. doi :10.1016/S0167-9317(00)00505-0.
  15. ^ «Усилия по сокращению выбросов F-ПГ: профили поставщиков плоскопанельных дисплеев» (PDF) . Агентство по охране окружающей среды США. 30 сентября 2016 г.
  16. ^ «Выбросы и поставки фторированных парниковых газов, представленные в Программе отчетности по парниковым газам (GHGRP)» . Агентство по охране окружающей среды США. 27 сентября 2015 года . Проверено 05 марта 2021 г.
  17. ^ Дж. Ошиново; А. Рива; М. Питтрофф; Т. Шварце; Р. Виланд (2009). «Эффективность травления Ar/N 2 /F 2 для очистки камеры CVD/ALD». Твердотельная технология . 52 (2): 20–24.
  18. ^ ab «Изменение климата 2007: Основы физических наук» (PDF) . МГЭИК . Проверено 3 июля 2008 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  19. ^ Робсон, Дж.И.; Гоар, ЛК; Херли, доктор медицины; Шайн, КП ; Уоллингтон, Т. (2006). «Пересмотренный ИК-спектр, радиационная эффективность и потенциал трифторида азота к глобальному потеплению». Геофиз. Рез. Летт. 33 (10): L10817. Бибкод : 2006GeoRL..3310817R. дои : 10.1029/2006GL026210 .
  20. ^ Ричард Морган (1 сентября 2008 г.). «За пределами углерода: ученые обеспокоены воздействием азота». Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 23 января 2018 г. Проверено 7 сентября 2008 г.
  21. ^ abc Пратер, MJ; Сюй, Дж. (2008). «NF3, парниковый газ, пропавший в Киото». Геофиз. Рез. Летт. 35 (12): L12810. Бибкод : 2008GeoRL..3512810P. дои : 10.1029/2008GL034542 .
  22. ^ Цай, В.-Т. (2008). «Анализ риска для окружающей среды и здоровья трифторида азота ( NF
    3    ), токсичный и мощный парниковый газ». J. Hazard. Mater . 159 (2–3): 257–63. doi :10.1016/j.jhazmat.2008.02.023. PMID  18378075.
  23. ^ М. Рузвельт (8 июля 2008 г.). «Климатическая угроза от плоских телевизоров, микрочипов». Лос-Анджелес Таймс .
  24. ^ Хоаг, Ханна (10 июля 2008 г.). «Пропавший парниковый газ». Nature сообщает об изменении климата . Том. 1, нет. 808. Новости природы . стр. 99–100. дои : 10.1038/climate.2008.72.
  25. ^ Робсон, Джон. «Трифторид азота (NF3)». Королевское метеорологическое общество . Архивировано из оригинала 16 мая 2008 года . Проверено 27 октября 2008 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  26. ^ Арнольд, Тим; Харт, СМ; Мюле, Дж.; Мэннинг, Эй Джей; Саламе, ПК; Ким, Дж.; Айви, диджей; Стил, LP; Петренко В.В.; Северингхаус, JP; Баггенстос, Д.; Вайс, РФ (5 февраля 2013 г.). «Глобальные выбросы трифторида азота оценены на основе обновленных атмосферных измерений». Учеб. Натл. акад. наук. США . 110 (6): 2029–2034. Бибкод : 2013PNAS..110.2029A. дои : 10.1073/pnas.1212346110 . ПМЦ 3568375 . ПМИД  23341630. 
  27. ^ В. Фтенакис; Д.О. Кларк; М. Моалем; член парламента Чендлер; Р.Г. Риджуэй; Ф. Е. Халберт; Д.Б. Купер; Пи Джей Марулис (25 октября 2010 г.). «Выбросы трифторида азота в течение жизненного цикла от фотоэлектрических систем». Окружающая среда. наук. Технол. Американское химическое общество . 44 (22): 8750–7. Бибкод : 2010EnST...44.8750F. дои : 10.1021/es100401y. ПМИД  21067246.
  28. ^ Риверс, Али (15 августа 2012 г.). «Трифторид азота: новый обязательный парниковый газ Киотского протокола». Ecometrica.com . www.ecometrica.com.
  29. ^ Малик, Йогендер (3 июля 2008 г.). «Трифторид азота - Очистка в электронных приложениях». Газмир. Архивировано из оригинала 4 августа 2008 г. Проверено 15 июля 2008 г.
  30. ^ «Концентрации, непосредственно опасные для жизни и здоровья (IDLH): трифторид азота» . Национальный институт безопасности и гигиены труда . 2 ноября 2018 г.

Внешние ссылки