CC BY
19
64
AZЭRBAYCAN К1МУА ШШЛЫ № 1 2013
УДК 546.682.24
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ In2Te3-Cdo.9Zno.1Te
М.Ш.Гасанова, Ч.И.Абилов
Азербайджанский технический университет
тЬ8И28@тш!. ги
Поступила в редакцию 01.02.2011
Методами дифференциально-термического, рентгенофазового, микроструктурного анализов и измерением микротвердости и плотности изучен характер химического взаимодействия фаз в системе 1п2Те3-С^.92полТе и построена диаграмма состояния последней. Система - квазибинарная, диаграмма состояния - эвтектического типа с монотектическим превращением. Растворимость твердого раствора при комнатной температуре со стороны 1п2Те3 доходит до 3.5 мол. %, а на основе твердого раствора С^^п^Те полуторателлурид индия растворяется до 5 мол. %.
Ключевые слова: фазовая диаграмма, монотектическое превращение, фазовый переход.
Халькогениды индия, цинка и кадмия, а также твердые растворы на их основе находят при-
т Л Шт-> VI Л Шт^У
менение в полупроводниковом электронике. Также известно, что соединения типа Л2 В3 и Л В
в системах с анионным замещением образуют широкие области твердых растворов, физические параметры которых представляют большой интерес как с научной, так и практической точек зрения [1-5]. Поэтому выявление характера фазового равновесия при взаимодействии 1п2Те3 и С^.92п0ЛТе представляется актуальным.
В настоящей работе приводятся результаты исследования системы In2Te3-Cd0.9Zn0.1Te и изучения некоторых физико-химических свойств обнаруженных новых фаз. Характеристики исходных компонентов исследуемой системы 1п2Те3 и Cd0.9Zn0.lTe приведены ниже.
1п2Те3 плавится конгруэнтно при 6670С и имеет полиморфное превращение при 6170С. Сведения о кристаллической структуре этого соединения противоречивы. В частности, авторами [6, 7] указывается, что 1п2Те3 кристаллизуется в кубической сингонии с параметром кристаллической решетки а=18.40 А, структурный тип - ZnS. В работе [8] также подтверждается кубическая структура 1п2Те3, но параметр элементарной ячейки равен 18.49 А.
Последнее исследование в этом направлении проведено в работе [9], согласно результатам которой а= 18.486 А. Однако имеются публикации, в которых указывается, что полуторателлурид индия кристаллизуется в гексагональной структуре с параметрами а=4.266, с=29.650 А [10], и, согласно [11], структурный тип 1п2Те3 - тетрагональный с параметрами а=13.078, с=6.165 А. Синтезированный и примененный в настоящей работе в качестве исходного компонента системы 1п2Те3-Cd0.9Zn0.1Te полуторателлурид индия, по результатам рентгенофазового анализа, обладает кубической кристаллической решеткой, параметр которой имеет значение а=18.485 А. Плотность соединения 1п2Те3 равна р=5.78 г/см3, а микротвердость Нц=1660 МПа. Электропроводимость находится в пределах с=10"5-10"6 Ом-1 см-1, общая теплопроводность хобщ =3.68-10-3 ккал м-1 с-1 град-1 и значение ширины запрещенной зоны Д£=1.0 эВ [12, 13].
Твердый раствор Cd0.9Zn0.1Te плавится при ~1100 С. Плотность р=5.82 г/см , микротвердость Нц=800 МПа. Удельное электрическое сопротивление более 1.0-109 Ом см. Кристаллы Cd0.9Zn0.1Te являются перспективными полупроводниковыми материалами, свойства которых позволяют использовать их для регистрации гамма-излучения при радиационном контроле и спектроскопии, применяются в приборах медицинской техники, дозиметрии, а также в астрофизике и космической технике [14].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исходные вещества 1п2Те3 и Cd0.9Zn0.1Те синтезировали из элементарного индия марки 1п-000, кадмия марки КБ-000, цинка со степенью чистоты 99.9% и теллура марки А-2, который мы подвергали семикратной зонной очистке. Синтез проводили путем сплавления рассчитанных в стехиометрических количествах 1п2Те3 и Cd0.9Zn0.lТе в вакуумированных до 0.133 Па кварцевых ампулах при ~700-11500С. Для приведения сплавов в равновесное состояние применен гомогенизирующий отжиг при 5000С в течение 150 ч. Для построения диаграммы состояния использовали
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ 1п2Тез-Са0^П0. Де 65
данные, полученные методами дифференциально-термического (ДТА), рентгенофазового (РФА), микроструктурного анализов (МСА) и измерением микротвердости и плотности.
ДТА сплавов проводили на приборе НТР-70 со скоростью нагрева 10 град/мин. Микроструктуру исследовали с помощью микроскопа МИМ-8 на предварительно отшлифованных и полированных пастой ГОИ образцах. Травителем для выявления микроструктуры служила смесь НКОз:Н2О2=2: 1, время травления составляло примерно 20 с. РФА осуществляли на рентгеновском дифрактометре модели ДРОН-3 с СиК"а-излучением и никелевым фильтром. Образцы для съемки готовили прессованием порошка исследуемого вещества в держателе из слюды. В процессе съемки угол 29 измеряли от 6 до 600. Микротвердость измеряли на микротвердомере ПМТ-3. Для сплавов, богатых 1п2Тез, применялась нагрузка в 15 г, а для остальных сплавов нагрузка составляла 20 г. Плотность сплавов определяли пикнометрическим взвешиванием, в которых наполнителем служил толуол.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сплавы системы 1п2Тез-С^.92п0ЛТе получались компактными, обладали черным цветом. Все сплавы системы устойчивы по отношению к влажности воздуха, воде и органическим растворителям, они растворяются лишь в минеральных кислотах (НКОз, Н^О^. ДТА сплавов показал, что на термограммах образцов появляются по два эндотермических эффекта. Это свидетельствует о том, что в системе протекает простое химическое взаимодействие между исходными компонентами. Все эффекты на кривых нагревания и охлаждения - обратимые. В результате изучения микроструктуры после отжига сплавов показано, что вблизи исходных компонентов имеется ограниченная область твердых растворов. В частности, со стороны 1п2Тез в интервале концентраций 0-3 мол.% Cd0.9Zn0.1Те существует однофазная область. На основе исходного твердого раствора С^.92п0ЛТе полуторателлурид индия 1п2Тез растворяется до 5 мол.%. Остальные составы сплавов изучаемой системы были двухфазными. При определении микротвердости получали два ряда значений. Эти значения и некоторые другие физико-химические свойства сплавов системы 1п2Тез-Cd0.9Zn0.1Те приведены в таблице.
Составы, результаты ДТА, измерения микротвёрдости и плотность сплавов системы In2Тез-Cdo.9Zno.1Те
Состав, мол.% Термические эффекты нагревания, С Плотность, г/см3 Микротвёрдость фаз, МПа
1п2Тез Cd0.9Zn0.1Те I (а) II (б)
а б Р=0.15 Н Р=0.20 Н
100 0.0 617, 667 5.78 1660 -
99 1.0 620, 665 5.80 1700 -
97 3.0 620, 665, 680 5.81 1760 -
95 5.0 620, 665, 700 5.80 1760 -
90 10 620, 695, 770 5.79 - -
80 20 620, 700, 770 5.80 - -
70 30 620, 700, 770 5.80 эвтект. эвтект.
60 40 620, 700, 770 5.79 - -
50 50 620, 700, 770 5.80 - 1250
40 60 620, 770 5.79 - 1250
30 80 620, 770, 900 5.79 - 1250
20 90 960 5.80 - 1248
10 90 1015 5.88 - 1200
5.0 95 1080 5.84 - 1100
0.0 100 ~1140 5.82 - 800
Значения микротвердости в пределах (1600-1780) МПа соответствуют микротвердости а-твердых растворов на основе 1п2Тез, а значения (800-1100) МПа - микротвердости р-твердых растворов, полученных на основе Cd0.9Zn0.1Те.
С целью подтверждения результатов ДТА, МСА, а также измерений микротвёрдости проводили РФА синтезируемых сплавов. Результаты РФА в виде штрихрентгенограммы сплавов системы In2Тез-Cd0.9Zn0.1Те представлены на рис.1.
Как выяснилось, дифракционные линии сплавов из области механической смеси соответствуют дифракционным линиям исходных компонентов системы, что свидетельствует о двухфаз-ности сплавов изучаемой системы.
66
М.Ш.ГАСАНОВА, Ч.И.АБИЛОВ
100
и 50
_и_л_
3
^ d, А
_1_1_1.,
311
Cda9ZnalТе
т о ж .
4Г
70%Cd0.9Zn0.1Ia
I .!„
50%Cdо.9Znо.lIе
I ■ I ■ ■
30%Cdо.9Znо.lIе
1п2Те3
361
с^ с^
Рис.1. Штрихрентгенограммы исходных компонентов и некоторых составов сплавов системы
Как видно, система In2Те3-Cd0.9Zn0.lТе - квазибинарная, эвтектического типа с монотекти-ческим превращением при 7700С. Ликвидус системы состоит из двух ветвей, соответствующих первичному выделению Р- и у-твёрдых растворов, пересекающихся в точке двойной эвтектики. Координаты эвтектики отвечают составу 12 мол.% Cd0.9Zn0.1Те и температуре 7000С.
На основании полученных результатов физико-химических исследований построена фазовая диаграмма состояния системы In2Те3-Cd0.9Zn0.lТе (рис. 2).
о
, 1000
Рис. 2. Диаграмма состояния системы In2Те3-Cd0.9Zn0.1Те.
1п2Те3 3 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Cdo.9Z1io.1Te мол.%
В интервале концентраций 3-95 мол.% Cd0.9Zn0.lТе ниже линии солидуса кристаллизуются двухфазные сплавы, характеризующие а- и у-твёрдые растворы. Выше температуры 7000С в системе обнаружена область расслаивания (20-60 мол.% Cd0.9Zn0.1Те). Первичная кристаллизация р-твёрдого раствора из жидкости Ц происходит в сплавах, содержащих 0-12 мол.% Cd0.9Zn0.lТе. В области расслаивания, с расходом одной из несмешивающихся жидкостей, выделяется у-фаза, а
822
0
5
4
2
1
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ In2Te3-Cd09Zn0. jTe 67
первичное выделение у-фазы из жидкости L2 наблюдается в сплавах составов от 60 до 100 мол.% Cd09Zn01Te. Фазовый переход а^р со стороны 1п2Те3 происходит при температуре 6170С.
Таким образом, изучение характера физико-химического взаимодействия в системе 1п2Те3-Cd^^n^^ показало, что, как и другие добавки [15, 16], твердый раствор Cd^Zna^ также предшествует выявлению низкотемпературной модификации полуторателлурида индия. Добавка Cd^Zn^^ не влияет на температуру низкотемпературного фазового перехода Ь2Те3.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Земсков B.C., Лазарев В.Б, Абрикосов Н.Х. и др. Твердые растворы в полупроводниковых системах. М.: Наука, 1978. 198 с.
2. Абилов Ч.И., Гасанова М.Ш. Разработка технологии создания устройств твердотельной электроники на основе кристаллов тройных теллуридов свинца, индия и некоторых 3d-элементов. Баку: Элм, 2005. 144 с.
3. Жузе В.П., Сергеева В.М., Шелых А.И. // Физика твердого тела. 1960. Т. 2. № 2. С. 2858.
4. Абрикосов Н.Х., Банкина В.Ф., Порецкая Л.В., Скуднова Е.В., Чижевская С.Н. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе. М.: Наука, 1975. 220 с.
5. Баранский П.И., Клочков В.П., Потыкевич И. В. Полупроводниковая электроника. Киев: На-укова думка, 1975. 704 с.
6. Holmes P.J., Jennigs J.C., Parrott Y.E. // J. Phys. Chem. Sol. 1963. V. 23. P. 1.
7. Федоров П.И., Мохосоев M.B., Алексеева Ф.П. Химия галлия, индия и таллия. Новосибирск: Наука СО АН СССР, 1977. 224 с.
8. Жузе В.П., Заславский А.И., Петрушевич В.А. и др. // Физика твердого тела. 1961. Т. 3. № 2. С. 2556.
9. Grzeta-Plankovic, Popovic S., Celustka В. et al. // J. Appl. Crystallogr. 1983. V. 16. P. 415.
10. Geller S., Jayaraman A., Hull G.W. // J. Phys. Chem. Solids. 1965. V. 26. P. 353.
11. Woolley C, Pamplin B.R., Holmes P.J. // J. Less-Common Met. 1959. V. 1. P. 382.
12. Заславский А.И., Сергеева B.M., Смирнов И.А. // Физика твердого тела. 1960. Т. 2. № 2. С. 2885.
13. Щенников В.В., Савченко К.В., Попова СВ. // Физика твердого тела. 2000. Т. 42. № 6. С. 1004.
14. Дворянкин В.Ф., Дворянкина Г.Г., Кудряшов А.А. и др. // Журн. технич. физики. 2010. Т. 80. № 2. С. 149.
15. Abilov Ch.I., Iskenderzade Z.A., Gasanova M.Sh. // J. Alloys and Compounds. 1994. V. 215. No 4. P. 155.
16. Гасанова М.Ш. // Изв. РАН. Неорган. материалы. 2009. Т. 45. № 8. С. 1.
In2Te3-Cdo.9Zno.1Te SiSTEMiNiN FiziKl-KlMYOVi TODQiQi M.§.Hasanova, CLObilov
Differensial-termiki, rentgenfaza, mikroqurulu§ analizlari, mikrobarkliyin va sixligin olgulmasi usullan ila Ш2Те3-CdagZna^c sisteminda fazalann kimyavi qarsiliqli tasirinin tabiati 6yranilmi§ va sistemin hal diaqrami qurulmusdur. Muayyanla§dirilmi§dir ki, sistem kvazibinardir, hal diaqrami evtektik tiplidir, Ш2Те3 tarafdan otaq temperaturundaki hallolma - 3.5 mol%, CdagZ^.^c bark mahlulu asasinda In^c^un hallolmasi isa 5 mol %-a qadardir.
Agar sozlar: faza diaqrami, monotektik gevrilma, faza kegidi.
THE PHYSICAL-CHEMICAL INVESTIGATIONS OF THE In2Te3-Cd09Zn01Te SYSTEM
M.Sh.Gasanova, Ch.I.Abilov
The physical-chemical character of chemical phase interaction in the In^c^Cd^^.^ system has been studied by the methods of differential-thermal, X-ray diffraction, microstructure analysis and by microhardness and density measurements. The state diagram of this system has been plotted. It has been established that this system is quasybi-nary, the state diagram is of eutectical type with monotectic returning. At room temperature the In2Te3 solubility extends to 3.5 mol% and solid solution based CdagZ^.^c is dissolved to 5 mol.%.
Keywords: phase diagram, monotectic transformation, phase transition.
