Ammonothermal-Synthese binärer und multinärer Nitride, Amide und Imide von Ga, Al, Si und Ge

Ziele

In diesem Teilprojekt soll die Chemie der Hauptgruppenelemente Gallium, Silicium, Germanium und Aluminium in flüssigem und überkritischem Ammoniak detailliert erforscht werden. Ziel ist die Aufklärung des Bildungs-, Lösungs- und Kristallisationsverhaltens der binären Nitride GaN, AlN und Si3N4 sowie ternärer und höherer Nitridosilicate, Nitridogallate, Nitridogermanate und Nitridoaluminate. Die Reaktionen sollen unter Einwirkung verschiedener ammonobasischer und ammonosaurer Mineralisatoren sowie unter Verwendung von speziellen Hochdruck-Autoklaven unter ammonothermalen Bedingungen (überkritisches Ammoniak, max. 600 °C, 3.000 bar) in Abhängigkeit von Temperatur, Temperaturgradienten, Druck, Reaktionszeit sowie Konzentration der beteiligten Reaktionspartner genau studiert werden. Dabei auftretende Intermediate (z. B. Ammoniakate, Amide, Imide) sollen genauso wie die als Zwischen- oder Endprodukte erwarteten binären oder multinären Nitride (oder Nitridimide) isoliert, identifiziert und strukturell sowie bezüglich ihrer Eigenschaften genau charakterisiert werden. Die Untersuchungen sollen nicht nur eine grundlegende Kenntnislücke in der anorganischen Chemie wichtiger Hauptgruppenelemente schließen, sondern gleichzeitig quantitative Informationen über die notwendigen Bedingungen zur Synthese und Kristallzucht von technologisch bedeutenden binären Nitriden (GaN, AlN und Si3N4) sowie von ternären und höheren Nitridosilicaten, Nitridogallaten, Nitridogermanaten und Nitridoaluminaten liefern. In diesem Zusammenhang soll einerseits versucht werden, bereits bekannte Verbindungen mit interessanten Materialeigenschaften in Form makroskopischer Einkristalle zu erhalten (z. B. die SHG-Materialien Sr2Si5N8 oder BaYbSi4N7). Die Ammonothermal-Synthese soll aber auch in explorativer Weise eingesetzt werden, um zuvor unbekannte ternäre und höhere Nitride (eventuell auch Nitridimide) von Ga, Si, Al bzw. Ge in Kombination mit Alkali-, Erdalkali- und/oder Seltenerdmetallen zu synthetisieren und zu untersuchen.

Das vor Jahrzehnten durch die wegweisenden Arbeiten von Prof. Herbert Jacobs entwickelte und in der Zwischenzeit fast wieder in Vergessenheit geratene Ammonothermalverfahren soll mit den Arbeiten dieser Forschergruppe und speziell mit diesem Teilprojekt wieder etabliert und weiterentwickelt werden. Die Ammonothermal-Synthese soll damit als synthetisches Werkzeug zur explorativen Erforschung, zur Synthese und Kristallzucht von Nitriden, Amiden und Imiden bereitgestellt werden und könnte somit für die gerade in jüngster Zeit sich stark entwickelnde Festkörper- und Materialchemie der Nitride eine ähnliche Bedeutung erlangen wie die Hydrothermalsynthese für die Darstellung oxidischer Verbindungen.