Поиск и изучение перспективных кремнийорганических молекул для селективной по изотопам кремния инфракрасной многофотонной диссоциации.

Кошляков П.В., Горелик С.Р1.,Чесноков Е.Н., Киселев В.Г., Петров А.К., Воробьев А.В., Рахымжан А.А, О.С. Асеев, П.С. Дементьев. 1Institute of Material of Research and Engineering, 3, Research Link, Singapore, 117602, Singapore

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Возникший интерес к изотопически чистому кремнию делает перспективным использование новых методов разделения изотопов кремния. Один из методов лазерного разделения изотопов – инфракрасная многофотонная диссоциация (ИК МФД). В основе процесса селективного ИК МФД лежит тот факт, что молекулы, содержащие разные изотопы, обладают разными частотами колебаний, т.е. имеется изотопный сдвиг по частотам колебаний. Перенастроив лазер на тот или иной изотоп, можно проводить селективную диссоциацию по изотопам.
Данная работа посвящена детальному изучению селективной ИК МФД ряда кремнийорганических соединений.
Наилучшие результаты, полученные при использовании этого метода для ИК МФД селективной по изотопам кремния, были достигнуты японскими ученными, которые изучали ИК МФД молекул Si2F6. Максимальный коэффициент обогащения, который они получили 45. Эта молекула была предложена как основное соединение для промышленного производства изотопов кремния. Но при том, что Si2F6 очень хорошо диссоциирует, он имеет один недостаток. Молекула Si2F6 содержит два атома кремния, что ограничивает коэффициент обогащения в продуктах диссоциации. Поэтому была поставлена задача для поиска кремнийорганического соединения, содержащего один атом кремния и обладающего теми же характеристиками МФД, что и Si2F6. Сравнительный анализ характеристик многофотонной диссоциации для молекул SiF3CH3, SiF2(CH3)2, SiF3C2H3 с аналогичными характеристиками ИК МФД Si2F6 показал, что для достижения селективности по изотопам кремния, сравнимой с селективностью ИК МФД молекул Si2F6, необходим поиск соединения с порогом диссоциации, сравнимым или ниже порога диссоциации Si2F6. Для этого были проведены исследования ряда кремнийорганических соединений с низкой энергией диссоциации, у которых, помимо одного атома кремния, присутствует атом галогена, присоединенный к атому углерода (SiF3CH2Cl, SiF3CHCH2Cl2). Распад таких молекул сопровождается «перескоком» атома галогена от углерода к кремнию. Было обнаружено, что по основным характеристикам ИК МФД процесса такие молекулы не уступают молекуле Si2F6, а по некоторым превосходят.
 Для соединений (SiF3CH2Cl, SiF3CHCH2Cl2), были получены относительно высокие селективности по изотопам кремния при ИК МФД. В частности, использование молекулы SiF3CH2Cl для селективной МФД позволило значительно снизить барьер диссоциации и увеличить селективность по сравнению с молекулой SiF3CH3. Так, максимальная селективность по 30 изотопу кремния для SiF3CH2Cl составила 44, для SiF3CH3 - 10. Но поскольку в продуктах диссоциации молекулы SiF3CH2Cl образуются нестабильные соединения, то молекула не очень подходит для промышленного разделения изотопов.
  Использование молекулы SiF3CHCH2Cl2 в процессе селективной ИК МФД позволило получить наилучшие результаты. Так, максимальная селективность по 30 изотопу кремния для SiF3CHCH2Cl2 – 250, тогда как для Si2F6 -- 45. Кроме того, селективность по 29Si составила 35. Высокая изотопная селективность сохраняется при давлениях до 5 торр. Единственными продуктами процесса ИК МФД SiF3C2H3Cl2, являются стабильные молекулы SiF3Cl и C2H3Cl. Этот результат значительно превосходит результаты исследований по селективной МФД, которые проводились ранее. Таким образом, соединение SiF3C2H3Cl2представляется перспективным для промышленного разделения изотопов кремния.

Список прилагаемых статей.
  1. Чесноков Е.Н., Кошляков П.В., Горелик С.Р., Контуры полос поглощения в ИК спектре метилтрифторсилана. Расчет и сравнение с экспериментом \\ Оптика и спектроскопия,99, №6, с. 923-929 (2005)
  2. Кошляков П.В., Чесноков Е.Н., Горелик С.Р., Киселев В.Г., Петров А.К. Инфракрасная многофотонная диссоциация метилтрифторсилана.\\ Химическая физика, том 25, №5, с.12-22 (2006)
  3. P.V. Koshliakov, S.R. Gorelik, , E.N. Chesnokov, A.V. Vorobiev, and A.K. Petrov, Infrared multiphoton dissociation of vinyltrifluorosilane \\ Applied Physics B, Volume 84, Issue 3, pp.529-536 (2006) (Online) DOI: 10.1007/s00340-006-2269-z
  4. Кошляков П.В., Чесноков Е.Н., Горелик С.Р., Воробьев А.В.,Рахымжан А.А, Петров А.К., ИЗОТОПНО-СЕЛЕКТИВНАЯ МНОГОФОТОННАЯ ДИССОЦИАЦИЯ МОЛЕКУЛ ХЛОРМЕТИЛТРИФТОРСИЛАНА (CH2ClSiF3) ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО CO2 ЛАЗЕРА \\ ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, ТОМ 415, № 5, С. 635-638
  5. Pavel V. Koshlyakov, Aleksei V. Vorob’ev, Sergey R. Gorelik, Evgenii N. Chesnokov and Alexander K. Petrov, Silicon isotope-selective multiphoton dissociation of 1,2-dichloroethyltrifluorosilane \\ Mendeleev Commun., 2008, 18, 18–20
  6. Pavel V. Koshlyakov, Sergey R. Gorelik, Evgeniy N. Chesnokov, Oleg S. Aseev, Asylkhan A. Rakhymzhan and Alexander K. Petrov, Infrared Multiple Photon Dissociation of Chloromethyltrifluorosilane \\ Photochemistry and Photobiology, 2009, 85: 901–908
  7. P.V. Koshlyakov • P.S. Dementyev • S.R. Gorelik • E.N. Chesnokov • A.K. Petrov, Infrared multiphoton dissociation of 1,2-dichloroethyltrifluorosilane \\ Applied Physics B: Volume 97, Issue 3 (2009), Page 625.DOI 10.1007/s00340-009-3596-7