CC BY
3УДК 534.2:546.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В РАСПЛАВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
СОЕДИНЕНИЙ Sb2Se3 И Bi2Se3
НУРОВ КУРБОНАЛИ БОЗОРОВИЧ
доцент кафедры экспериментальной физики ТГПУ им. С. Айни, Душанбе, Таджикистан
ДЖАФАРОВ АМИРШО САЙОБИДОВИЧ
аспирант кафедры общетехнических дисциплин и машиноведения ТГПУ им. С. Айни,
Душанбе, Таджикистан
Аннотация: при использовании высокочувствительной методики, реализованной на импульсно-фазовом акустическом методе, детально исследованы температурные зависимости скорости распространения ультразвука в полупроводниковых соединениях Sb2Se3 и Bi2Se3. При исследовании скорости распространения ультразвука было использовано современные электронные аппаратуры. А также в этих участках были составлены зависимости ds~f (Т) эмпирическими уравнениями и определены температурный коэффициент скорости распространения ультразвука в соединениях Sb2Se3 и Bi2Se3. На основе полученных экспериментальных данных и согласно результатам физико-химического анализа, сделано вывод о том, что селенид сурьмы и висмута в жидком состоянии обладает комплексом свойств, позволяющим отнести их к жидким полупроводникам. Полупроводниковые свойства расплавов обусловлены преимущественно ковалентным характером типа химической связи между атомами в обоих соединениях.
Ключевые слова: скорость ультразвука, расплав, полупроводник, система, свойства, соединение.
Введение
Одним из быстро - развивающихся направлений физики жидкого и твердого тела, в особенности физики полупроводников и диэлектриков, является поиск новых перспективных материалов и исследование термоэлектрических материалов, демонстрирующих уникальные электрофизические, термоэлектрические, термодинамические, оптические, акустические и др. свойства. Использование таких материалов в высокотехнологических отраслях науки и техники позволяет создавать приборы нового поколения (особенно в области нано технологии), обладающие более высокими по сравнению с существующими характеристиками. К таким перспективным полупроводниковым материалам относится класс узко-зонных полупроводников с инвертированной запрещенной зоной. В этой области наиболее перспективными и подходящими соединениями с точки зрения практического применения в электронных приборах являются соединения типа Sb2Se3 и Bi2Se3 [1].
На основании исследований электропроводности и плотности соединений Sb2Se3 и Bi2Se3 в твердые и жидкие состояния, авторы [2-3] сделали заключения о возможности сохранения гомеополярных связей в жидкой фазе. Для того, чтобы проследить за изменениями в структуре ближнего порядка при нагреве расплавов нами было проведено исследование температурной зависимости скорости распространения ультразвука этих соединений.
Ультразвуковые методы исследования расплавов вследствие своей высокой чувствительности к изменению структуры жидкости и характера межатомного взаимодействия в них, стоят в ряду наиболее перспективных методов физико -химического анализа для исследования расплавов в области плавления и жидкой фазы. Применение ультразвуковых колебаний позволяет значительно увеличить круг изучаемых явлений при
исследовании равновесных и кинетических свойств веществ и получить новые данные об особенностях их молекулярного строения.
В настоящее время акустические исследования является мощным средством для получения информации о существовании микронеоднородности в расплавах металлов и полупроводников. В конденсированных средах упругий импульс распространяется от атома к атому через межатомные связи, и поэтому изменение последних существенно отражается на скорости его распространения. Следовательно, скорость распространения ультразвука является тонкой характеристикой, чувствительной к изменениям характера химической связи. Данные по температурной зависимости скорости распространения ультразвука дают полную и полезную информацию о структуре и ее изменениях.
Настоящая работа предпринята с целью исследование скорости распространения ультразвука в соединениях Б^Без и Б12Без, посредством этого обогатить данные, касающиеся физико-химических свойств системы БЬ-Бе и Б1-Бе. Согласно [4], в системах БЬ-Бе и Б1-Бе образуется по одной конгруэнтно плавящееся соединения Б^Без при температуре 878 К и Б12Беэ при температуре 981 К.
Диаграмма состояния системы БЬ-Бе исследована в многих работах, где она построена по результатам нескольких методов исследовании. В системе имеется область не смешиваемости в жидком состоянии. Автор [5] предлагает, что вид диаграммы состояния двойной системы зависит от скорости охлаждения, так как расслоение может происходить лишь при медленном охлаждении, поскольку разница в плотности обеих компонентов БЬ и Бе мала. В системе установлено существование соединения Б^Без, температура плавления которого по данным различных работ равна 617, 605, 575оС. Соединение Б^Без имеет структуру собственного типа.
Диаграмма состояния системы БьБе построена на основании результатов ДТА, рентгенофазового, локально рентгеноспектрального и микроструктурного анализов [6]. В системе Б1-Бе наблюдается протекание монотектической реакции при температуре 618оС в богатой Бе части системы, а также образование трех промежуточных фаз Б12Без, Б1Бе, Б1зБе2.. Соединение Б12Без плавится конгруэнтно при температуре 708оС. Соединение Б1Бе и Б1зБе2 образуются по перитектическим реакциям:
Ж+ Б12Без - Б1Бе при 606оС Ж + Б1Бе - Б1зБе2 при 470оС
Соединение Б1Бе обладает областью гомогенности 42,5-54,5% ат. Бе. В пределах области гомогенности Б1Бе существует ряд сложных структур.
Методика измерения скорости ультразвука и экспериментальные результаты
Методом импульсно-фазового интерферометра (ультразвукового) была исследована скорость распространения ультразвука в расплавах полупроводниковых соединений Б^Без и Б12Без. Установка и методика измерения подробно описаны в работе [7]. Функциональная блок-схема установки для исследования ультразвуковых свойств расплавов металлов и полупроводников представлена на рис. 1.
Рис.1. Блок-схема установки для исследования ультразвуковых свойств расплавов металлов и полупроводников.
Высокочастотный электрический сигнал с генератора синусоидальных сигналов (Г4-102А) 1 поступает на устройство 2, где из непрерывных синусоидальных колебаний формируются прямоугольные импульсы с высокочастотным заполнением определенной длительности и частоты следования. Возрастание импульсов осуществляется с помощью усилителя 3. Они поступают на излучающий пьезоэлемент 6 и, преобразованные в упругие колебания в виде ультразвуковых волн, проходят через нижний звукопровод 7 в расплав 8, размещающийся в контейнере 9. Далее сигналы упругих волн принимаются верхним звукопроводом 10 и вновь преобразовываются в электрические колебания приемным пьезоэлементом 11. После этого электрический сигнал поступает на один из входов осциллографа (С1-70) 4 с дифференциальным блоком усиления. На второй вход осциллографа подается непрерывный сигнал той же частоты от задающего генератора 1. В дифференциальном блоке усиления происходит суммирование этих сигналов, что позволяет наблюдать их интерференцию при изменении фазы в импульсном сигнале, которое осуществляется перемещением верхнего звукопровода относительно нижнего на кратное число длин волн ультразвука в расплаве. Частота измеряется электронным частотомером 5 (Ч3-34А).
В работе использовали висмут, селен и сурьму чистотой не хуже 99,9999ат. % основных компонентов.
Исследования проводили в интервале температур от Тпл. до 100оС выше температуры плавления в атмосфере высокочистого аргона. Ячейка для помещения образца и волноводы изготавливались из плавленого кварца. В качестве пьезоэлемента использовались пластины из керамики ЦТС (цирконат титаната свинца) диаметром 12мм с резонансной частотой 3,7 МГц. Температура измерялась предварительно отградуированной хромель-алюмелевой термопарой. Погрешность измерения скорости распространения ультразвука не выше 0,2%. Для получения более однородного состава образцы закаливали в холодной воде. Случайный разброс экспериментальных точек при фиксированной температуре не превышал -1,5м/с. При более высоких температурах измерения не производили вследствие резкого возрастания роли процесса испарения. Было приготовлено и измерено не менее трех образцов Б^Без и Б12Без. Результаты по трем образцам усредняли и на основании этих данных строили политерму скорости распространения ультразвука.
Результаты измерение скорости распространения ультразвука в Sb2Se3 и Bi2Se3 приведены на рис.2 и 3.
Рис. 2. Температурная зависимость скорости распространения ультразвука и адиабатической сжимаемости соединения БЬгЗез в жидкой фазе.
Рис.3. Температурная зависимость скорости распространения ультразвука и адиабатической сжимаемости соединения Bi2Se3 в жидкой фазе.
Как видно из рисунков, аномалий на политермах отсутствуют. Зависимость скорости распространения ультразвука от температуры линейно падает с повышением температуры. По полученным результатам скорости распространения ультразвука и данным по плотности [8-9] рассчитаны значения адиабатической сжимаемости по известному соотношению Лапласа:
_ 1
Где р - плотность. Политермы адиабатической сжимаемости также нанесены на рис. 2 и 3. Из рис. 2-3 видно, что скорость распространения ультразвука линейно уменьшается с ростом температуры. На этих участках зависимости (Т) описывается следующими
эмпирическими уравнениями, полученными обработкой экспериментальных результатов, простым методом наименьших квадратов:
для Sb2Se3 & = 1518 - 0,46 (Т-Тпл.) для Bi2Se3 0S= 1688 - 0,30 (Т-Тпл.)
Линейное уменьшение скорости распространения ультразвука с увеличением температуры характерно для металлов [10]. Однако согласно результатам физико -химического анализа [11-12] селенид сурьмы и висмута в жидком состоянии обладает комплексом свойств, позволяющим отнести их к жидким полупроводникам. Полупроводниковые свойства расплавов обусловлены преимущественно ковалентным характером типа химической связи между атомами.
Выводы
Показано, что исследование скорости распространения ультразвука является эффективным и надежным методом для исследование структурных изменениях в высокотемпературных расплавах бинарных металлических и полупроводниковых соединениях.
В заключение заметим, что ультразвуковой метод обладает достаточной надежностью и большой информативностью в деле: исследования структуры расплавов металлов и полупроводников, закритических явлений, происходящих в них; построения и уточнения диаграмм состояния; наконец, изучения строения металлических и полупроводниковых расплавов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акрамова Р.Я. Получение и исследование физико-химических свойств термоэлектрических
материалов на основе В12Ви $Ь2ВУ1 (Ву1 — Бе,Те) с заданным распределением примесей. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. физ-мат. наук. Душанбе. - ТНУ -2018. -139с.
2. Глазов В.М., Чижевская С.Н., Глаголева Н.Н. Жидкие полупроводники. -М: Наука, -1967. -244с.
3. Глазов В.М., Кольцов В.Б., Курбатов В.А. Электрофизические свойства расплавов Б12 Без, БЬ Тез и Б12Тез. Изв. АН СССР. Неорганические материалы. -1986. -Т.22,-№ 8, -С.1264-1270.
4. Абрикосов Х.А. и др. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе М.: Наука,
- 1975, 220с.
5. Кузнецов В.Г., Палкина К.К. ЖНХ. -1963, -Т.8,-№ 5,-С. 1204-1218.
6. Шер Ф.Ф., Один Р.Р., Новоселова А.В. ЖНХ. -1986, -Т.31, -№ 3,-С.764-767.
7. Нуров К.Б. Акустическое исследование расслаивания полупроводниковых и металлических
систем. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук. Москва. -1989. -169с.
8. Андрианова Т.Н., Александров А.А. Разумейченко А.А., Охотин В.С. Исследование вязкости и плотности системы сурьма-селен в жидком состоянии. Теплофизика Высоких Температур. -1970,-Т.8,-№6,- С.1192-1196.
9. Гаев Д.С. Термодинамические свойства и особенности строения расплавов систем А4-Бе и А5-Бе (А4-Ое. Бп. РЬ; А5 - БЬ. Б1) Дисс. на соиск. уч. степ. канд. хим. наук. Москва. -1986. -234с.
10. Гитис М.Б., Михайлов И.Г., Распространение звука в жидких металлах Акустический журнал, - 1966, -Т.12, Вып. 2, - С.145-159.
11. Регель А.Р., Глазов В.М. Физические свойства электронных расплавов. М.: Наука, -1980. -296с.
12. Полтавцев Ю.Г. Структура полупроводниковых расплавов. М.: Металлургия, -1984, -176с.
