ИССЛЕДОВАНИЕ ТРОЙНОЙ СИСТЕМЫ ER-BI-SE Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CHEMICAL SCIENCES

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРОЙНОЙ СИСТЕМЫ Er-Bi -Se.

Исмаилов З.И.

кафедра «Общей и неорганической химии, к.т.н., доцент Бакинский государственный университет, Азербайджан, Баку Султанова С.Г.

кафедра «Общей и неорганической химии, научный сотрудник Бакинский государственный университет, Азербайджан, Баку Диниева К.Р.

кафедра «Общей и неорганической химии, лаборант Бакинский государственный университет, Азербайджан, Баку

INVESTIGATION OF THE TERNARY SYSTEM Er-Bi-Se

Ismailov Z.,

Departments "General and inorganic chemistry, Ph.D. Associate Professor

Baku State University, Azerbaijan, Baku Sultanova S.,

Department of General and Inorganic Chemistry, Researcher

Baku State University, Azerbaijan, Baku Dinieva K.

Department of General and Inorganic Chemistry, laboratory assistant

Baku State University, Azerbaijan, Baku DOI: 10.5281/zenodo.7049670

АННОТАЦИЯ

Методами физико-химического анализа исследовано система Bi2Se3-Er2Se3 которая являются квазибинарным сечением тройной системы Er-Bi-Se.

Индицированием рентгенограмм порошков установлено, что образование тройных фаз состава Er-Bi-Se3 соединения ErBiSe3 кристаллизуются в ромбической сингонии типа стибнита: параметры кристаллической решётки ErSbSe3 следующие ErBiSe3 а=12,43, в=14,20, с=3,95 А. Растворимость Er2Se3 со стороны Bi2Se3 составляет 3-5 мол % при температуре 300К соответственно.

МСА показывает, что сплавы системы Er2Se3-Bi2Se3 содержанием 95,97,50 мол. % Er2Se3 состоят из одной фазы, а остальные из двух фаз. Соединения ErBiSe3 с твердым раствором на основе Bi2Se3 образует эвтектику, содержащую 15 мол. % Er2Se3, которая плавится при 700К.

ABSTRACT

The systems Bi2Se3-Er2Se3 and, which are a quasi-binary section of the ternary system Er-Bi-Se, have been studied by the methods of physicochemical analysis.

Indication of powder X-ray diffraction patterns established that the formation of ternary phases of the composition Er-Bi-Se3 of the compounds ErBiSe3 crystallize in the orthorhombic system of the stibnite type: the parameters of the crystal lattice of ErBiSe3 a = 12.43, b = 14.20, c = 3.95 А. The solubility of Er2Se3 on the side of Bi2 (Sb2) Se3 is 3-5 mol% at a temperature of 300K, respectively.

MSA shows that alloys of the Er2Se3-Bi2Se3 system with a content of 95.97.50 mol. % Er2Se3 consist of one phase, and the rest of two phases. ErBiSe3 compounds with a solid solution based on Bi2Se3 form a eutectic containing 15 mol. % Er2Se3, which melts at 700K.

Ключевые слова: система, фаза, кристаллизация, сплав, температура, разрез.

Keywords: system, phase, crystallization, alloy, temperature, cut.

Введение:

Изучение химического взаимодействия в системе Ln2Xз-Sb2Xз- Bi2Xз ^п-РЗЭ; Х^, Se, Te) представляет интерес в связи с применением редкоземельных элементов при коммутации термоэлементов на основе B2Xз (5^, Bi; X-S, Se, Te) [1-5].

Халькогениды сурьмы состава Sb2Xз(Х -Se, Te) и твердые растворы на их основе используются в качестве термоэлектрического материала при изготовлении ^ветвей термоэлектрических приборов. Халькогениды висмута, а также многокомпо-

нентные фазы на их основе относятся к перспективным веществам для разработки термоэлектрических и фотоэлектрических материалов [1-4]. Селе-ниды висмута относятся к различным классам полупроводников, в которых электронная структура компонентов сильно различается.

Получение на основе Bi2Se3 новых термоэлектрических материалов является актуальной задачей и требует фундаментальных поисков в указанной области. Поэтому исследование фазообразования тройных систем Er-Bi-Se имеет научное и практичное значение.

Цель исследования:

Целью настоящей работы является, изучение характера химического взаимодействия компонентов в тройной системе Er-Bi-Se

Материалы и методы исследования:

С целью выяснения характера химического взаимодействия компонентов в тройной системе Er-Bi-Se исследованы разрезы Bi2Se3-Er2Se3.

Соединение Bi2Se3 кристаллизуется в ромбической сингонии типа тетрадимита (Bi2Te2S) с параметрами элементарной ячейки а=17,34, в=17,78, с=4,82. Селенид висмута является полупроводником n-типа с шириной запрещенной зоны 0,35 эВ [1]. Монокристаллы Bi2Se3 имеют слоистую структуру с электропроводимостью вдоль слоев 2000 Ом-1см-1, термо-эдс - 100 МКВ/град., и удельной теплопроводностью 0,025 ккал/смсград.; микротвердость Bi2Se3 равна 720 МПа [2, 3].

Er2Se3 образуется с открытым максимумом при 1800К, относится к кубической сингонии [4,5] а=17,653, в=7,22, с=3,95 A Er2Se3 кристаллизуется в тетрагональной пространственной группе P-4m2. Структура трехмерная.

Er2Se3 является полупроводником, удельная электропроводность ст=6,6-26,5 Ом-1см-1 (300К), коэффициент термо-ЭДС а=250-400мкв/град (при 300К). Ширина запрещенной зоны ДЕ=0,25эВ [5].

Характер химического взаимодействия в системе Bi2Se3-Er2Se3 изучали дифференциально термическим (ДТА), рентгенографическим (РФА), микроструктурным (МСА) анализами и измере-

нием микротвердости и плотности. Для синтеза образцов использовали Bi марки В-5, селен марки В-4 и эрбиум марки ЭрМ-0.

Режим синтеза подбирали исходя из физико-химических свойств элементарных компонентов, бинарных соединений Bi2Se3, Er2Se3 и предварительных данных ДТА тройных сплавов.

Сплавы получали непосредственным сплавлением компонентов в эвакуированных кварцевых ампулах при 1150К с последующим медленным охлаждением при выключенной печи.

Образцы с содержанием 60 мол % Er2Se3 и выше получали в виде спека. Их повторно измельчали и превращали в таблетки. Сплавы с содержанием Er2Se3 ниже 60 мол % компактные, темно-серого цвета с металлическим блеском. Для достижения гомогенности сплавы после синтеза дополнительно отжигали при температурах на 50-100К ниже солидуса в течении 500 часов. Полученные образцы подвергали детальному физико-химическому исследованию. Запись кривых нагревания и охлаждения сплавов осуществляли на Linseis START 1600, «Термоскан-2», РФА-осуществляли снятием рентгенограммы порошков на дифракто-метре фирмы «Bruqer» марки D8 Advance (на CuK2-излучение).

Для исследования МСА (микроскоп марки МИМ-7) шлифы сплавов травили разбавленной азотной кислотой (1:1), микротвердость сплавов системы измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках 10 и 20 Г. Погрешность измерения составляла 2,2-4,3%. Ликвидус высокотемпературной части диаграммы выполняли на ВДТА-8М2 в инертной атмосфере с использованием W-W/Re-термопар. Скорость нагрева 40град/мин. При исследовании микроструктуры сплавов использовали травитель состава 10 мол. % конц. H2SO4+45г K2&2O7+90 мол. % H2O время травления 26с. МСА показывает, что сплавы системы Er2Se3- Sb2Se3 (Bi2Se3) содержанием 95,97,50 мол. % Er2Se3 состоят из одной фазы, а остальные из двух фаз.

Результаты и обсуждение:

На основании результатов, полученных вышеуказанными методами построена фазовая диаграмма системы Bi2Se3 - Er2Se3 (рис.1).

Т,К

2200

2000

1000

800 "

600

400

_ Ж ^^^ Ж + Er2Seз /£ 1100 ? « / ото о о

+ 6 н * / Ж+ ErBiSeз 795

700 Е^з +ErBiSeз II 1 1

а ^^—^ / ^ / - _ а+ЕгВ18е3 щ

1800

Bi2Seз

20

40 то1 %

60

80

Er2Seз

Рис. 1 Фазовая диаграмма системы Б12Без-Ег2Бвз

Как видно из рисунка, система является квазибинарным и эвтектического типа. Из фазовой диаграммы системы Er2Se3-Bi2Se3 видно, что при соотношении 1:1 происходит перитектическое образование соединений состава ErBiSe3.

Область диаграммы богатая Er2Seз наиболее тугоплавкая. Соединения ErBiSeз с а-твердым раствором на основе Bi2Seз образуют эвтектику, содержащую 15 мол. % Er2Seз (рис.1) которая плавится при 700К. Растворимость Er2Seз в Bi2Seз при 300К составляет 5 мол. %.

Индицированием рентгенограмм порошков ErSbSe3 установлено, что эти соединения изострук-турные и кристаллизуются ромбической сингонии типа Sb2Sз.

Параметры элементарной ячейки ErBiSe3 составляет: а=12,68, в=14,30, с=5,15 А,

Межплоскостные расстояния А) пк1 и интенсивности линий указанных соединений на ди-фрактограмме приведены в таблице.

таблица

ErBiSeз

4 А а, % Ш 4 А а, % Ш

5,5648 20 200 1,5474 13 550

5,0246 14 120 1,4645 15 071

3,9230 30 220 1,3761 10 271

3,5238 100 130 1,7624 9 620

3,2457 33 201 1,7264 25 414

3,0910 70 320 1,6320 9 061

2,7875 30 400

2,6938 11 040

2,6143 12 031

2,5311 15 131

2,4876 25 420

2,5850 10 330

2,2368 28 500

2,1571 10 050

2,0645 14 520

1,9278 38 002

1,8537 19 160

з

Из таблицы видно, что рентгенографическая плотность ErBiSe3 равна 6,01 г/см3, а пикнометри-ческая 6,21 г/см3, а микротвердость составляет 2015 МПа.

Выводы:

1. Методами дифференциально-термического (ДТА), рентгенофазового (РФА) и микроструктурного (МСА) анализов, измерением микротвердости изучен характер физико-химического взаимодействия систем Bi2Se3-Er2Se3, которая являются квазибинарным сечением тройной системы Er-Bi-Se.

2. Построена диаграмма состояния системы и установлено, что она относится к простому эвтектическому типу.

Литература

1. Ярембаш Е.И., Елисеев А.А. «Халькогениды редкоземельных элементов». М.: Наука 197.5-275 с.

2. Абрикасов Н.Х., Банкина В.Ф., Порец-каяЛ.В. «Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе». М.: Наука 1975.-220с.

3. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. «Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3». М.: Наука 1972,320 с.

4. Садыгов Ф.М., Ильяслы Т.М., Ганбарова Г.Т., Исмаилов З.И. и др. Фазовые равновесия в системе Bi2Se3-Nd3Se4 и электрофизические свойства образующихся фаз // Успехи современного естествознания. - 2016. - N° 4. - с. 53-56; http://www.nat-ural-sciences.ru/ru/article/view?id=3 5861

5. Садыгов Ф.М., Гамбарова Г.Т., Исмаилов З.И., Ильяслы Т.М. Электрофизические свойства растворов на основе Bi2Se3 // Кинетика механизма кристаллизации: тезисы док. VIII Межд. науч. конф. - Иванова, 2014. - с. 65-66. http://crystal.isc-ras.ru

6. Kristie, J. Koski et. al. Chemical Intercalation of Zerovalent Metals into 2D Layered Bi2Se3 Nanorib-bons //Journal of the American Chemical Society. -2012. - Vol. 134. -P. 13773-13779. https://doi.org/10.1021/ja304925t

7. Садыгов Ф.М., Джафарова Е.К., Бабанлы М.Б. и др. Взаимодействие в тройной системе Tm-Bi-Se по разрезам Bi2Se3- Tm2Se3 и Bi2Se3- Tm3Se4 // Журн. Неорг. химии, 2001, т.46, N8, с.1379-1381.

8. Шурова М.А., Андреев О.В., Харитонцев В.Б. Фазовые равновесия в системе Bi2Se3- Sm2Se3 // Вестник Тюменского Государственного Университета. Социально-экономические и правовые исследования, 2014, N5, с.113-121.

9. Andreev O.V., Kharitsontsev V.B., Elyshev A.V. Compositions of phrases in the interaction of rare-earth metals with selenium// Russ J.Inorg.Chem., 2013, v.58, p.910-915.

10. Babanly M.B., Makhumudova M.A., Aliev Z.S., Imamaliyeva S.Z. Thermodynamic properties of phrases in the Yb-Bi-Se system // Inorg. Mater., 2011, v.47(4), p. 352-355.