Технология получения твердых растворов системы CdSe-ZnS и исследование их кислотно-основных свойств Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 544.22:621.315.592

В. Е. ЛЕОНОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ Са5е-2п5 И ИССЛЕДОВАНИЕ

ИХ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ

Представлен способ получения т в ердых растворов системы CdSe—ZпS методом изотермической диффузии в режиме программированного н агрева. Приведены результаты рентгенографического анализа, согласно которым исследуемые объекты ид енти-фицированы как тв ердые растворы за мещения. Представлены результаты исследований кислотно-основных с в ойств т в ердых ра створов (ZnS)x(CdSe)1_x методами гидролитической адсорбции, механохимического диспергирования и неводного кондукто-метрического титрования. Показана возможность прогнозирования практического применения изучаемых объектов в качестве материалов для сенсоров экологического назначения.

Ключевые слова: полупроводник, алмазоподобный полупроводник, тв ердый раствор, гидролитическая адсорбция, механохимия, неводное кондуктометрическое титрование.

Введение. Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни соединений. Полупроводниковые свойства присущи как неорганическим, так и органическим веществам, кристаллическим и аморфным, твердым и жидким. При существенных различиях в строении и химическом составе полупроводниковые материалы объединяет одно замечательное качество — способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

В настоящее время вследствие своих уникальных физико-химических свойств алмазоподобные полупроводники находят широкое применение в различных отраслях промышленности, в частности, в качестве материалов для сенсоров экологического назначения. При этом наибольший интерес представляют бинарные вещества АШВ¥, АПВ¥: и твердые растворы на их основе благодаря своим уникальным свойствам. Например, селенид кадмия СсЗБе [1, 2] и сульфид цинка [3 — 5] вследствие своих оптических

свойств используются как люминофоры. На данный момент физико-химические свойства твердых растворов недостаточно изучены. В связи с этим была поставлена цель — получить твердые растворы системы СсЗБе — и исследовать их свойства.

Получение и аттестация твердых растворов. Твердые растворы системы СсЗБе^пБ были получены методом изотермической диффузии в режиме программированного нагрева. В вакуумированных и запаянных кварцевых ампулах из порошков СсЗБе и при температуре ниже температуры плавления легкоплавкого компонента (СсЗБе) получен непрерывный ряд твердых растворов замещения. Состав полученных объектов приведен в табл. 1.

По результатам рентгенографического анализа были получены дифрактограммы, по которым были построены штрих-рентгенограммы (рис. 1).

Из отсутствия на рентгенограммах соответствующих непрореагировавшим бинарным компонентам дополнительных линий и размытости основных линий следует, что синтез твердых растворов полностью завершен. Исследуемые образцы — твердые растворы замещения с кристаллической структурой типа вюрцита. Параметры кристаллической решетки объектов исследования приведены в табл. 2 [6 — 8].

Кислотно-основные свойства. Были исследованы следующие свойства исследуемых объектов: рН изо-электрического состояния, зависимость рН от времени и концентрация кислотных центров. Для исследования были применены методы гидролитической адсорбции, механохимического диспергирования и неводного кондуктометрического титрования.

рН изоэлектрического состояния (рНизо) бинарных веществ и СсЗБе и твердых растворов (2п8)х(С<38е)1-х был определен методом гидролитической адсорбции. Значения рНизо исследуемых объектов приведены в табл. 3, график зависимости рН от состава — на рис. 2.

изо

Полученные методом гидролитической адсорбции величины рНизо CdSe, и твердых растворов на их основе свидетельствуют о том, что поверхность сульфида цинка и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1-x (х = 23, 27, 39 % мол.) имеет слабокислый характер,

Таблица 1 Состав объектов исследования

№ Состав

п/п

1 (ZnS)o12з(CdSe)o177

2 (ZnS)o127(CdSe)o17з

3 (ZnS)0l39(CdSe)0l6l

4 (ZnS)0l46(CdSe)0l54

Рис. 1. Штрих-рентгенограммы

Таблица 2

Значения параметров элементарной ячейки твердых растворов ^пБМСйБеЬ-х

Образец Параметры кристаллической решетки

Параметр а, А Параметр с, А

(2п8)0 27(Сй8е)073 4,163640(24) 6,79497(10)

(2п8)0 39(Сй8е)0б1 4,12083(14) 6,72628(53)

(2п8)04б(Сй8е)054 4,083877(33) 6,667321(98)

а поверхность селенида кадмия и твердого раствора (2п8)046(С<38е)054 — слабощелочной. Следовательно, и твердые растворы (2п8)х(С<38е)1-х (х = 23, 27, 39 % мол.) активны по отношению к основным газам, а селенид кадмия и твердый раствор (2п8)046(С<38е)054 активны по отношению к кислотным газам [6, 8].

Зависимость рН от времени была определена методом механохимического диспергирования. В ходе механохимического диспергирования сульфида цинка, селенида кадмия и твердых растворов (2п8)х(С<38е)1-х (х = 23, 27, 39, 46 % мол.) было обнаружено смещение рН в слабокислую область. При этом, по сравнению с результатами гидролитической адсорбции, имеет место подкисление поверхности СсЗБе и твердых растворов и подщелачивание поверхности По результатам механохимиче-

ского диспергирования был сделан вывод о слабокислом характере поверхности исследуемых объектов. Значения рН объектов исследования приведены в табл. 4, график зависимости рН, полученных в ходе механохимии, от состава — на рис. 3.

Концентрация кислотных центров на поверхности С<^е, и твердых растворов ^^)х(С<^е)1х была определена методом неводного кондуктомет-рического титрования. Порошки исследуемых объектов заливали растворителем (метилэтилкетоном),

Таблица 3 рНизо бинарных веществ 7пБ, CdSe и твердых растворов на их основе

Образец РНизо

СйБе 7,92

(2п8)0 23(Сй8е)077 6,97

(2п8)0 27(Сй8е)073 6,87

(2п8)0139(Сй8е)061 6,38

(2п8)014б(Сй8е)0154 7,08

2пБ 6,16

Таблица 4

рН CdSe,

и твердых растворов (ZnS)s(CdSe)1-s

Образец рН

СйБе 6

(2п8)023(Сй8е)077 6,25

(2п8)027(Сй8е)073 6,47

(ZnS)0l39(CdSe)0l6l 4,67

(ZnS)0l46(CdSe)0l54 6,2

ZnS 6,57

РНиЕ

РН 7 *

6

5 I 4 Ц 3 1 2 1 0

9 8,5 8 7,5 7

6,5 1 6 5,5 5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

Рис. 2. Зависимость рНизо от состава исследуемых объектов

Доля 7пЗ

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,£

0,9 1

1,1

Мольная доля 2пБ

Рис. 3. Зависимость рН от состава

х 250000

| 200000 ц

5 он 150000 * <з

£ £ 100000

я ®

ь 50000

х

О)

? 0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0,9

1 1,1 Мольная доля 2пв

Рис. 4. Зависимость концентрации кислотных центров от состава

для установления равновесия систему оставляли на один час, затем титровали раствором этилата калия. В процессе титрования фиксировалось изменение электропроводности смесей С<^е, ZnS и твердых растворов (ZnS)x(CdSe)1_x и метилэтилкетона в зависимости от объема этилата калия. Концентрация кислотных центров была вычислена по формуле:

С =

1000 УЫ

т

(1)

где т — масса исследуемого образца, г; У — объем этилата калия, пошедшего на титрование, мл; N — нормальная концентрация раствора этилата калия, г-экв/л.

Величины концентраций кислотных центров приведены в табл. 5, график зависимости концентрации кислотных центров от состава — на рис. 4 [8].

Заключение. Методом изотермической диффузии по разработанной программе впервые были получены твердые растворы системы CdSe — ZnS. По результатам рентгенографического анализа исследуемые объекты были идентифицированы как твердые растворы замещения.

По результатам измерений рН изоэлектриче-ского состояния было выявлено, что CdSe и твердый

Таблица 5 Концентрации кислотных центров

на поверхности CdSe и твердых растворов (ZnS)s(CdSe)1-s

Образец Концентрация кислотных центров

CdSe 122860

(ZnS)0l2з(CdSe)0l77 123089

(ZnS)0l27(CdSe)0l7з 55406

(ZnS)0l39(CdSe)0l6l 237252

(ZnS)0l46(CdSe)0l54 129500

ZnS 111888

раствор (ZnS)0 46(CdSe)054 имеют слабощелочную поверхность, и потому активны по отношению к кислотным газам. В свою очередь, поверхность ZnS и твердых растворов (ZnS)023(CdSe)077, (ZnS)027(CdSe)073 и (ZnS)039(CdSe)061 слабокислая, следовательно, указанные объекты активны по отношению к основным газам.

Согласно результатам механохимических исследований, изучаемые объекты имеют слабокислую

0

поверхность. Поэтому они проявляют активность по отношению к основным газам. Таким образом, CdSe, ZnS и твердые растворы на их основе могут быть использованы в качестве сенсоров экологического назначения.

Библиографический список

1. Сенокосов Э. А. [и др.]. Катодолюминесценция фоточувствительных слоев CdSe, выращенных в квазизамкнутом объеме // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 12. С. 1299-1302.

2. Степанов Е. М. Исследование фотолюминесценции коллоидных квантовых точек на основе халькогенидов металлов // Молодой ученый. 2015. № 9. С. 56-60.

3. Бахметьев В. В., Огурцов К. А., Сычев М. М. [и др.]. Влияние ударно-волновой обработки на свойства ZnS и люминофоров на его основе // Неорганические материалы. 2012. Т. 48, № 9. С. 1002-1006.

4. Крылов П. Н., Гильмутдинов Ф. 3., Романов Э. А., Федотова И. В. Влияние термоотжига на оптические свойства нанокристаллических пленок сульфида цинка // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45, № 11. С. 1571-1575.

5. Софронов Д. С., Камнева Н. Н., Катрунов К. А. [и др.]. Влияние условий осаждения на размер и оптические свойства

частиц ZnS // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 7. С. 703-707.

6. Кировская И. А., Миронова Е. В., Леонтьева Н. Н., Леонов В. Е., Блесман А. И., Полонянкин Д. А., Юрьева А. В. Получение и физико-химические исследования новых адсорбентов на основе системы CdSe-ZnS // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 1 (137). С. 236-240.

7. Кировская И. А., Миронова Е. В., Григан А. А., Леонов В. Е. Новые материалы на основе систем ZnS-CdSe, ZnSCdS // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность. 2015. № 2. С. 164-168.

8. Кировская И. А., Миронова Е. В., Косарев Б. А., Григан А. А., Леонов В. Е. The Activity of New Materials Surfaces — ternary Semi-conductors with Cationic and Anionic Substitution // Procedia engineering. 2015. Vol. 113. P. 446-450.

ЛЕОНОВ Вячеслав Евгеньевич, учебный мастер кафедры технологии машиностроения. Адрес для переписки: 81аууап1ео@таД.ги

Статья поступила в редакцию 25.11.2016 г. © В. Е. Леонов

УДК 681.5.08 А. С. ЧЕРНОВ

В. А. ГРИДЧИН А. Д. БЯЛИК

ООО «СибИС», г. Новосибирск

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПТОМЕХАНИЧЕСКОГО УЗЛА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СЕНСОРА ДАВЛЕНИЙ_

В статье рассмотрены вопросы проектирования оптомеханического узла нового типа сенсора давления, предназначенного для ра боты во взрыво- и пожароопасных средах. Анализ базируется на конечноэлементной модели оптомеханического узла для двухточечной схемы н агружения. В ра мках упрощенной аналитической модели р а осматривается влияние конструктивных п ара метров н а преобразовательную х арактеристику оптомеханического узла.

Ключевые слова: упругий элемент, оптомеханический узел, оптоволокно, фотоэлектрический сенсор давления, численное моделирование.

1. Введение. Сенсоры давления занимают значи- сенсоры на фотоэлектрическом эффекте. В таких

тельную долю мирового рынка изделий микросис- сенсорах действие измеряемого давления приводит

темной техники и область их применения непрерывно к перемещению конца оптоволокна относительно

расширяется. Соответственно, идет постоянное со- фотоприемника, в результате чего изменяется пло-

вершенствование как конструкции, так и технологии щадь его засветки и выходной сигнал [1]. Такого рода

изготовления сенсоров. В последнее время, наряду сенсоры могут найти применение для измерений

с традиционными сенсорами давления, работающими в пожаро- и взрывоопасных условиях. на тензорезистивном, емкостном, пьезоэлектриче- Применение технологии микросистемной тех-

ском и резонансном эффектах, стали исследоваться ники для изготовления фотоэлектрических сенсоров