С.Р. Горелик, Е.Н. Чесноков, А.В. Чернышев, А.В. Куйбида, Р.Р.Акбердин,
А.К. Петров,
Н.П. Грицан (ИХКиГ СО РАН),
К.Номару, Х.Курода (Центр ЛСЭ, Токийский научный университет)
В последние годы в мире растет интерес к материалам из изотопически чистого кремния. Интерес возник из перспектив применения таких материалов в полупроводниковой промышленности, в частности, для создания новых мощных компьютерных процессоров.
В области лазерного разделения изотопов кремния наиболее впечатляющих результатов достигла группа японских исследователей Suzuki, Arai и др. в ряде работ по инфракрасной многофотонной диссоциации (ИК МФД) молекулы гексафтордисилана под действием импульсного СО2 лазера. Однако эта молекула содержит два атома кремния, что ограничивает изотопный эффект. Это обстоятельства делает актуальной задачу поиска молекул, содержащих один атом кремния и столь же эффективных с точки зрения ИК МФД как и Si2F6. Необходимы систематические количественные исследования процессов многофотонного поглощения и диссоциации кремнийсодержащих молекул, содержащих один атом кремния.
Представленные работы посвящены изучению селективной по изотопам кремния диссоциации молекул SiF3I, SiF2H2, C6H5SiF3 под действием ИК лазерного излучения.
В работе [1] изучалась ИК МФД молекул SiF3I при совместном облучении молекул импульсным ТЕА СО2 лазером с длиной волны излучения 10.6 мкм и ИК лазером на свободных электронах (ИК ЛСЭ) Токийского научного университета. Основным каналом диссоциации оказался разрыв связи Si-I. Получена зависимость выхода диссоциации от длины волны излучения ЛСЭ.
Работы [2,3] посвящены изучению ИК МФД молекул дифторсилана под действием СО2 лазера. Диссоциация наблюдается при плотностях энергии лазерного излучения выше 0.5 Дж/см2. Распад молекулы происходит по каналу с образованием радикала SiF2 и молекулы H2. Поглощение лазерного излучения молекулами при высоких плотностях энергии оказалось сильно насыщенным. Это указывает на то, что с излучением взаимодействует только малая часть молекул, не больше 10%. Такое поведение характерно для небольших многоатомных молекул.
Показана возможность разделения изотопов кремния при МФД дифтросилана. На длине волны 977 см-1 излучения СО2 лазера молекулы с основным изотопом кремния диссоциировали примерно в два раза быстрее молекул с редкими изотопами (при начальном давлении 1 Торр).Работы [4,5,6] посвящены изучению ИК МФД большой многоатомной молекулы – фенилтрифторсилана под действием излучения ИК ЛСЭ. Важным преимуществом C6H5SiF3 с точки зрения технологии крупномасштабного разделения изотопов кремния является его массовое производство. Для этой молекулы диссоциация становится наблюдаемой при плотностях энергии лазерного излучения выше 1 Дж/см2. Основными каналами диссоциации оказались отрыв радикала SiF3 и отрыв атома водорода. В зависимости от длины волны излучения оказалось возможным преимущественно диссоциировать молекулы с редкими изотопами или с основным изотопом. Так, на длине волны излучения ЛСЭ 925 см-1 молекулы с 30Si диссоциировали примерно в 2.5 раза быстрее, чем молекулы с основным изотопом 28Si , тогда как на 961 см-1 наоборот, молекулы с основным изотопом диссоциировали примерно в 2 раза быстрее молекул с редкими изотопами (при начальном давлении 1 Торр).
Итак, исследована ИК МФД молекул SiF3I, SiF2H2, C6H5SiF3. Для молекул SiF2H2, C6H5SiF3 показана возможность разделения изотопов кремния. Такие молекулы, как трифторйодосилан и дифторсилан являются малыми многоатомными молекулами, для которых характерен эффект вращательного горла при взаимодействии с мощным лазерным излучением, что приводит к тому, что только малая часть их возбуждается излучением до энергий выше энергии диссоциации. Молекула фенилтрифторсилана, наоборот, относится к большим многоатомным молекулам. Эффект вращательного горла для таких молекул не характерен вследствие большой плотности колебательных состояний при возбуждении, соответствующем 1-2 квантам излучения. Однако, эти молекулы обладают большой колебательной теплоемкостью и требуют для распада значительно больше энергии, чем молекулы с меньшим числом атомов с теми же энергиями диссоциации.
Другим важным фактором является энергия диссоциации молекулы. Для изученных нами молекул эта энергия составляет примерно 72 ккал/моль для SiF2H2 и около 100 ккал/моль для PhSiF3, что много выше энергии диссоциации молекулы Si2F6 (45 ккал/моль).
Таким образом, проведенные исследования позволили достаточно сильно ограничить выбор молекул для дальнейшего изучения. Представляют интерес молекулы со "средним " количеством атомов и с более низкой энергией диссоциации. Особый интерес представляют молекулы с молекулярным каналом диссоциации.
В качестве примера таких молекул можно привести молекулы вида C2HnX5-nSiF3, где X – атомы Cl или F.