微波等离子体碳热还原法制备高纯铝及其在无氧三甲基铝合成中的应用研究

针对高纯铝粉表面氧化层阻碍三甲基铝(TMA)合成的行业难题，研究人员创新性地采用微波等离子体辅助的碳热还原技术，在甲烷(CH4 )氛围中实现铝粉高效脱氧（纯度达7N级），并首次通过单真空循环工艺合成超高纯TMA（99.9995%）。该研究为半导体行业提供了突破性的无氧前驱体制备方案，同步产出合成气、乙炔等高附加值副产品，兼具环境与经济效益。

　　

在半导体制造和先进电子器件领域，高纯三甲基铝(TMA)如同精密仪器的"血液"——其纯度直接决定GaAs/AlGaAs量子结构等核心元件的性能。然而传统工艺面临致命瓶颈：铝粉表面顽固的Al₂
O₃
氧化层如同"封印"，不仅降低反应效率，更会引入二甲氧基铝等杂质，导致半导体出现载流子迁移率下降、光致发光效率衰减等缺陷。更棘手的是，现有纯化技术难以突破99.9999%的痕量金属纯度门槛，严重制约5G通信和量子计算等尖端技术的发展。

为解决这一"卡脖子"难题，俄罗斯科学基金会资助的研究团队在《Vacuum》发表突破性成果。研究人员独辟蹊径，将微波等离子体与碳热还原技术"联姻"，开发出一步法连续制备超高纯TMA的工艺。通过微波激发甲烷等离子体产生的活性氢物种和碳自由基，在10 mBar低压环境下精准"手术刀式"剥离铝粉氧化层，同步实现铝粉纯化与TMA合成。

关键技术包括：1）搭建石英玻璃微波等离子体反应系统，采用油涡旋泵维持真空；2）结合ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）、SEM（扫描电镜）和XRD（X射线衍射）多模态表征铝粉纯度；3）通过GC-MS（气相色谱-质谱联用）和光学发射光谱实时监测副产物；4）创新单真空循环合成工艺避免系统泄压污染。

【微波放电甲烷等离子体】
光学发射光谱显示，CH₄
在2.45 GHz微波激发下产生C₂
、CH等活性物种，其电子温度达5000 K，远超重粒子温度，形成非平衡态等离子体。这种"冷等离子体"特性既能高效断裂C-H键，又避免铝粉熔结。

【结论与意义】
该研究实现三大突破：1）铝粉氧含量降低至0.2 ppm以下，金属纯度达7N级；2）TMA合成收率提升40%，关键杂质DMAOMe（二甲氧基铝）含量低于检测限；3）副产合成气(H₂
/CO=2.3)和苯系芳烃，实现资源循环利用。

从机理上看，微波等离子体产生的亚稳态氢原子[H]优先攻击Al₂
O₃
晶格氧，而甲基自由基[·CH₃
]则与新生铝表面原位反应生成TMA。这种"等离子体手术"相比传统氢还原法能耗降低62%，CO₂
排放减少90%。

该技术已成功应用于AlGaInP红光LED外延片生产，使器件亮度提升15%。其意义不仅在于提供半导体级前驱体，更开创了"等离子体冶金-有机合成"耦合的新范式，为碳中和背景下金属有机化合物的绿色制造指明方向。正如通讯作者Vladimir Vorotyntsev强调："这项技术将重新定义高纯金属有机化合物的质量标准"。