Триметилалюминий (TMAl)

Триметилалюминий (TMAl, TMA) — металлоорганическое соединение алюминия с формулой Al₂(CH₃)₆, существующее в виде димера. Представляет собой бесцветную пирофорную жидкость с температурой плавления 15 °C. Триметилалюминий является стандартным прекурсором алюминия для MOCVD-эпитаксии полупроводниковых соединений AlGaAs, AlGaN, AlInGaP, а также широко применяется в процессах атомно-слоевого осаждения (ALD) оксида алюминия Al₂O₃ и в катализе Циглера-Натта для производства полиолефинов.

Физико-химические свойства триметилалюминия

В отличие от мономерных триметилгаллия и триметилиндия, триметилалюминий существует в виде димера Al₂(CH₃)₆ с двумя мостиковыми метильными группами. Структура димера аналогична дибораниду B₂H₆: каждый атом алюминия находится в тетраэдрическом окружении. Расстояния Al–C составляют 1,97 Å (терминальные) и 2,14 Å (мостиковые). При нагревании димер обратимо диссоциирует на мономеры.

Давление паров триметилалюминия

Давление насыщенных паров TMAl имеет промежуточные значения между TMGa (высокое) и TMIn (низкое), что обеспечивает удобство дозирования при комнатной температуре.

log P(Торр) = 8,224 − 2134,83 / T(K)

Применение триметилалюминия

TMAl применяется в нескольких ключевых отраслях промышленности, что отличает его от остальных МОС-прекурсоров III группы, имеющих более узкую специализацию.

MOCVD-эпитаксия полупроводниковых структур

В качестве источника алюминия TMAl используется для осаждения алюминийсодержащих полупроводников совместно с другими МОС-прекурсорами и гидридами.

Атомно-слоевое осаждение (ALD) оксида алюминия

TMAl — наиболее распространённый прекурсор для ALD-осаждения тонких плёнок Al₂O₃. В цикле ALD TMAl и вода (или озон) попеременно подаются на поверхность подложки, формируя мономолекулярные слои оксида алюминия с прецизионным контролем толщины. Плёнки Al₂O₃ применяются в качестве:

— высокоэффективного диэлектрика затвора в MOSFET-транзисторах;

— пассивирующего покрытия для кремниевых солнечных элементов (снижение поверхностной рекомбинации);

— защитного барьерного покрытия для литий-ионных аккумуляторов (стабилизация анода и катода);

— влагозащитных покрытий для OLED-дисплеев.

Катализ Циглера-Натта

TMAl является исходным реагентом для синтеза метилалюмоксана (MAO) и модифицированного метилалюмоксана (MMAO) — сокатализаторов металлоценовых каталитических систем для полимеризации олефинов. В промышленных масштабах это применение потребляет значительные объёмы TMAl.

Требования к чистоте триметилалюминия

Для MOCVD и ALD требуется TMAl электронного класса чистоты с контролируемым содержанием примесных металлов на уровне единиц ppb. Для катализа Циглера-Натта используется TMAl технической чистоты (≥ 97–98%), часто в виде раствора в углеводородных растворителях (гексан, гептан, толуол).

Безопасность при работе с триметилалюминием

TMAl — одно из наиболее опасных металлоорганических соединений, применяемых в промышленности. Его значительная летучесть (давление паров при 20 °C ~ 8 Торр) повышает риск ингаляционного воздействия по сравнению с менее летучими алкилами.

Пирофорность. Самовоспламеняется при контакте с воздухом с образованием белого дыма оксида алюминия. Горение сопровождается выделением метана, CO и CO₂.

Реакция с водой. Бурная экзотермическая реакция со взрывным характером. Гидролиз TMAl протекает по уравнению: Al₂(CH₃)₆ + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 6CH₄↑. Выделяющийся метан может воспламениться от тепла реакции.

Токсичность. Вызывает тяжёлые химические и термические ожоги кожи и глаз. Контакт с глазами может привести к слепоте. Вдыхание паров вызывает тяжёлое повреждение дыхательных путей вплоть до отёка лёгких с летальным исходом. ПДК по алюминию: 2 мг(Al)/м³ (ACGIH TLV-TWA). Тушение — только сухими порошковыми средствами, песком или известью.

Упаковка и транспортировка TMAl

Для MOCVD/ALD триметилалюминий поставляется в стальных баллонах с электрополированной внутренней поверхностью и мембранными клапанами. Для каталитических применений доступны растворы TMAl в углеводородных растворителях (1,0–2,0 М в гексане, гептане или толуоле) в стандартных ёмкостях.

Транспортировка чистого TMAl: UN 1103, класс 4.2 (пирофорная жидкость), группа упаковки I. Растворы в углеводородах могут иметь иные номера UN в зависимости от концентрации.

Каждая партия сопровождается сертификатом анализа (CoA) и паспортом безопасности (SDS).

Подробнее о других полупроводниковых материалах на основе соединений III–V групп — на соответствующей странице сайта.