Synteza i termochemiczne przemiany prekursorów dla nanomateriałów III-V

   Badania dotyczą tutaj głównie związków pierwiastków grup III(13) i V(15) układu okresowego, które służyć mogą jako prekursory chemiczne do otrzymywania całej gamy materiałów proszkowych typu azotków, fosforków, czy arsenków metali/metaloidów grupy III(13).  Są one cennymi materiałami ceramicznymi i półprzewodnikowymi.  Termiczne przemiany prekursorów mogą być prowadzone etapowo i w sposób umożliwiający wytwarzanie nanokrystalicznych form materiałowych, które charakteryzują się niestandardowymi, technologicznie korzystnymi właściwościami fizykochemicznymi.
 
   Badania powyższe rozpocząłem w trakcie realizacji doktoratu w latach 1982-1987.  Dotyczyły one wtedy przede wszystkim wykorzystania metaloorganicznych pochodnych glinu, szczególnie [(CH₃)₃Si]₃Al·O(C₂H₅)₂, do wytwarzania w kontrolowany sposób nanokrystalicznych form azotku glinu – AlN, fosforku glinu – AlP i kompozytów na bazie tych binarnych połączeń.  Doktorat zaowocował syntezą wielu nowych związków aluminoamidkowych i aluminofosfidowych, które zostały dogłębnie scharakteryzowane; m.in. po raz pierwszy uzyskano rozwiązania struktur krystalicznych dla aluminofosfidów.  Obok powyższego, całkiem utylitarnego aspektu badań wiele z nich dotyczyło fundamentalnych zagadnień z preparatyki i reaktywności metaloorganicznych układów Al-N i B-N.
   
   Kolejno zajmowałem się otrzymywaniem specyficznych form materiałowych azotku glinu i azotku boru na drodze konwersji prekursorów chemicznych.  W tym zakresie opracowano układ prekursorów w oparciu o rozpuszczalne polimery aluminosilyloorganiczne, które posłużyły następnie do wytwarzania cienkich powłok azotku glinu na proszkowych i płytkowych podłożach tlenkowych.  W warunkach syntezy anaerobowej otrzymano z oryginalnych polimerów borazynyloaminowych azotek boru w formie włókien i sferycznych proszków aerozolowych o potencjalnie szerokich zastosowaniach.  Na przykład, niektóre formy materiałowe BN o wysokich powierzchniach właściwych charakteryzowały się specyficznymi właściwościami sorpcyjnymi w stosunku do takich gazów jak tlen, azot, ditlenek węgla i metan.  Nowe sorbenty BN mogą okazać się konkurencyjne w stosunku do węgla aktywnego w wielu wysokotemperaturowych zastosowaniach procesowych.  W ramach kontynuacji tych prac, dwa proste i tanie układy prekursorów, B₂O₃/metanol/NH₃ i H₃BO₃/metanol/NH₃, zostały użyte w procesie aerozolowego wytwarzania sferycznych cząstek azotku boru; analogicznie z układu prekursorowego B(OCH₃)₃/Ar tą metodą można produkować aerozolowe proszki węglika boru.   Powyższe badania stały się w latach 2002-2003 podstawą do rozpoczęcia procedur patentowych w USA.

   W szczególności atrakcyjne, jak się wydaje, wyniki uzyskane zostały w przypadku badań nad otrzymywaniem nanokrystalicznych proszków azotku galu GaN – cennego półprzewodnika szerokopasmowego (tzw. „niebieski” emiter).  Opracowano względnie prostą tzw. „imidkową” metodę otrzymywania nano-GaN, która rozszerzona została potem na nano-AlN i bimetaliczne układy azotków typu AlGaN.  Wykazano możliwość prasowania/spiekania tak wyprodukowanych nanoproszków GaN w kierunku trwałych mechanicznie, półprzeźroczystych płytek z towarzyszącą temu procesowi rekrystalizacją lub bez niej. Sprasowane formy materiałowe GaN mogą być potencjalnie wykorzystane do konstrukcji zaawansowanych urządzeń w optoelektronice (korzystne podłoża dla „niebieskich” emiterów).  Rozwijając te badania, półprzewodnikowy nanokrystaliczny azotek galu poddano na etapie syntezy modyfikacji centrami aktywnymi (dodatkami ferromagnetycznymi) w celu uzyskania nowoczesnych kompozytowych materiałów dla spintroniki.  Zastosowano dwie alternatywne drogi syntezy magnetycznych półprzewodników GaN/Mn i wykazano określony oraz specyficzny stopień włączania atomów manganu do sieci krystalicznej azotku galu.  W ostatnim czasie rozpoczęto również badania nad otrzymywaniem kompozytów GaN/TiN, stosując zarówno anaerobową metodę "imidkową" (beztlenową), jak i syntezę aerozolową (tlenową).
 
   Ważnym aspektem tych badań, obok strony aplikacyjnej, jest synteza i charakterystyka nowych związków chemicznych, metaloorganicznych i nieorganicznych, będących prekursorami materiałowymi oraz ocena ich termostabilności i reaktywności chemicznej.  Badania takie mają charakter podstawowy, lecz są wyraźnie ukierunkowane na otrzymanie materiałów technologicznych.  Są one przykładem badań interdyscyplinarnych z pogranicza syntezy chemicznej nieorganicznej, chemii fizycznej, ceramiki i inżynierii materiałowej.