Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

INVESTIGETION OF INTERACTION IN INTE-SB2TE3 SYSTEM

Mamеdova N.A. 1 Aliev I.I. 1 Mekhtieva S.T. 2 Amiraslanov I.R. 3
1 Institute of Catalysis and Inorganic Chemistry named after M.F. Nagiyev National Academy of Sciences of Azerbaijan
2 Ganja State University
3 Institute of Physics National Academy of Sciences of Azerbaijan
In this work, the interaction of components was studied by complex methods of physicochemical analysis and the T-x phase diagram of the InTe-Sb2Te3 system was constructed. The system is quasistable and two biphasic alloys (α + In3Sb2Te6) and (β + InSb2Te4) crystallize in the subsolidus. Two compounds of the compositions In3Sb2Te6 and InSb2Te4 are formed in the system. The In3Sb2Te6 compound melts congruently at 575 °C, and the InSb2Te4 compound is incongruent at 590 °C. In the system was defines a narrow region of solid solutions based on the starting components. The region of solid solutions based on InTe extends to 3 mol %, and the based Sb2Te3 – up to 5 mol %. The results of X-ray diffraction data showed that the In3Sb2Te6 compound crystallizes in a rhombohedral system with lattice parameters: a = 4.2248; b = 4.2248; c = 30.3229 Å. sp.gr.R-3m. The InSb2Te4 compound is structural with In3Sb2Te6 and crystallizes in a rhombohedral system with unit cell parameters: a = 4.2374; b = 4.2374; c = 30.3938 Å. sp.gr. R-3m. Part of the state diagram of the α + In3Sb2Te6 system forms a eutectic with a composition of 17 mol % Sb2Te3 and melts at 525 °C. Compounds In3Sb2Te6 and InSb2Te4 with each other form a eutectic composition of 32 mol % Sb2Te3 and melts at 550 °C. To determine the semiconductor nature and field of application of the obtained samples, the electrophysical properties were studied in the temperature range 25-300 °C. The temperature dependence of electrical conductivity and thermo-emf was studied solid solutions (Sb2Te3)1-x(InTe)x (where x = 0.01; 0.02; 0.03; 0.05). The concentration dependence of the electrophysical parameters indicates the process of compensation of charge carriers at low InTe contents in Sb2Te3.The obtained alloys of solid solutions based on Sb2Te3 are p-type semiconductors.
system
solid solution
quasi-binary
eutectic
solidus

Халькогениды элементов III основной подгруппы, а также многокомпонентные полупроводниковые фазы на их основе являются фотоэлектрическими и магнитными материалами [1]. Халькогениды индия обладают своеобразными термоэлектрическими и люминесцентными свойствами [2–4].

В литературе [5–7] показано, что соединение Sb2Te3 и сплавы на его основе как термоэлектрические материалы используются в электронной промышленности. Поэтому исследование характера взаимодействия между халькогенидами InTe с халькогенидами Sb2Te3 весьма актуально.

Последние годы нами были исследованы некоторые квазитройные системы с участием халькогенидов индия и сурьмы [8, 9].

Целью настоящей работы является выяснение взаимодействия в системе InTe-Sb2Te3, а также определение области твердых растворов и новых соединений.

Соединение InTe плавится конгруэнтно при 696oC и имеет тетрагональную решетку с параметрами: a = 8,437; c = 7,139 Å, Z = 8, пр.гр. 14/mmc – D184h : его плотность ρ = 6,29 г / см3, микротвердость 960 MПa [10] .

Соединение Sb2Te3 плавится конгруэнтно при 622 °С и кристаллизуется в ромбоэдрической-гексагональной сингонии с параметрами решетки: а = 1,0436 Å; аh = 4,262 Å; c = 30,450 Å, β = 23o34, пр.гр. R3m-D53d, ρ = 6,513 г/см3 [10].

Материалы и методы исследования

Для синтеза исходных компонентов системы InTe-Sb2Te3 были использованы особо чистые элементы: индий марки In-000, сурьма марки 99,999 % и теллур марки В-4, дополнительно очищенный семикратной дистилляцией. Тройные сплавы получали непосредственным сплавлением компонентов в эвакуированных до 0,133 Па кварцевых ампулах в интервале температур 700–900 °С. Режим синтеза подбирали исходя из физико-химических свойств элементарных компонентов и бинарных соединений (InTe, Sb2Te3) и предварительных данных ДТА тройных сплавов. После синтеза образцы выдерживались при 500 °С в течение 240 ч. Сплавы системы InTe-Sb2Te3 исследовали методами дифференциально-термического (ДТА), рентгенофазового (РФА), микроструктурного (МСА) анализов, а также измерением микротвердости и определением плотности.

Термограммы образцов системы InTe-Sb2Te3 снимали на приборе марки ТEMSCAN-2 со скоростью нагревания 10 град/мин. Термограммы некоторых образцов снимали до и после отжига до получения стабильных результатов.

Рентгенограммы сплавов снимали на рентгеновском приборе модели D2 PHASER с использованием СuКα излучения. Микроструктурный анализ сплавов проводили на металлографическом микроскопе марки МИМ-8. Для выявления микроструктуры сплавов использовали травитель состава НNO3конц: H2O2 = 2:1, время травления составило 10 с.

Микротвердость каждой фазы измеряли на приборе марки ПМТ-3 при нагрузке 0,10 и 0,15 Н. Плотность для образцов определяли пикнометрическим методом. Электрофизические свойства твердых растворов (Sb2Te3)1-х(InTe)х (х = 0,01; 0,02; 0,03; 0,05) изучены в интервале температур 25–300 °С. Измерения электропроводности и термо-э.д.с. проводили зондовым методом [11].

Результаты исследования и их обсуждение

Синтезированные сплавы системы InTe-Sb2Te3 компактные светло-серого цвета. Сплавы устойчивы по отношению к воздуху и воде. Концентрированные минеральные кислоты (НNO3, Н2SO4) и щелочи разлагают их.

Результаты ДТА показали, что все фиксированные термические эффекты на кривых нагревания и охлаждения обратимые. На термограммах сплавов системы обнаружены по два эндотермических эффекта. Микроструктурный анализ сплавов системы InTe-Sb2Te3 показал, что в интервале 0–3, 25, 50 и 95–100 мол. % Sb2Te3 сплавы однофазные, а остальные сплавы двухфазные.

С целью подтверждения результатов ДТА и МСА проводили рентгенофазовый анализ. На основании порошковых рентгенограмм вычислены межплоскостные расстояния и интенсивность дифракционных максимумов. Установлено, что дифрактограммы сплавов, содержащих 25 и 50 мол. % Sb2Te3 отличаются от исходных соединений (рис. 1).

mamed1_1.tif

Рис. 1. Дифрактограммы сплавов системы InTe-Sb2Te3: 1 – 25 мол % Sb2Te3 (In3Sb2Te6), 2 – 50 мол % Sb2Te3 (InSb2Te4)

Соединение In3Sb2Te6 плавится конгруэнтно при 575 °С и кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии с параметрами: a = 4,2248; b = 4,2248; c = 30,3229; пр.гр. R-3m. Соединение InSb2Te4 плавится инконгруэнтно при 590 °С, изоструктурно с In3Sb2Te6, и кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии с параметрами элементарной решетки: a = 4,2374; b = 4,2374; c = 30,3938; пр.гр. R-3m. Рентгенографические данные соединений In3Sb2Te6 и InSb2Te4 приведены в табл. 1.

Таблица 1

Межплокостные расстояния (d, hkl) и интенсивность линий на дифрактограмме соединений In3Sb2Te6 и InSb2Te4

In3Sb2Te6

InSb2Te4

d ,Å

I. %

h

к

l

d ,Å

I. %

h

к

l

10.10767

12.9

0

0

3

10.13127

8.7

0

0

3

5.05383

25.4

0

0

6

5.06563

18.4

0

0

6

3.55668

20,9

1

0

2

3.37709

12.9

0

0

9

3.36922

18, 6

0

0

9

3.14161

100.0

1

0

5

3.13281

100.0

1

0

5

2.63947

4.9

1

0

8

2.63245

6.0

1

0

8

2.34077

29.6

1

0

10

2.33470

26.0

1

0

10

2.20734

5.8

1

0

11

2.20168

7.3

1

0

11

2.11869

21.1

1

1

0

2.11239

18.3

1

1

0

2.02625

18.2

0

0

15

2.06772

3.3

1

1

3

1.97180

7.5

1

0

13

2.02153

18.0

0

0

15

1.86850

3.1

1

0

14

1.96684

7.7

1

0

13

1.79473

2.9

1

1

9

1.94899

3.5

1

1

6

1.69013

12.4

2

0

7

1.86383

4.8

1

0

14

1.68854

10.8

0

0

18

1.75144

8.0

2

0

5

1.57081

5.6

2

0

10

1.68461

10.6

0

0

18

1.46640

6.2

1

0

19

1.56641

5,5

2

0

10

1.46436

6.0

1

1

15

1.52427

1.8

2

0

11

1.40406

2.9

1

0

20

1.46284

6.1

1

0

19

1.35226

4.0

2

1

5

1.46050

5.8

1

1

15

1.31974

4.2

2

0

16

1.44395

5.2

0

0

21

1.26183

2.8

2

1

10

1.43948

3.8

2

0

13

1.24331

4.2

I

0

23

1.40066

3.7

1

0

20

1.23960

2.6

2

1

11

1.36044

2.6

2

1

4

         

1.34828

48

2

1

5

         

1.31739

4.4

2

1

7

         

1.25822

5.0

2

1

10

         

1.24033

4.9

1

0

23

         

Фазовая диаграмма системы InTe-Sb2Te3, построенная по совокупности данных вышеуказанных методов, приведена на рис. 2. Установлено, что в системе при соотношении 3:1 и 1:1 образуются химические соединения составов In3Sb2Te6, InSb2Te4 соответственно.

mamed2.wmf

Рис. 2. T-x фазовая диаграмма системы InTe-Sb2Te3

Таблица 2

Составы, результаты ДТА, измерения микротвердости и определения плотности сплавов системы InTe-Sb2Te3

Состав, мол %

Термические эффекты, °C

Плотность,

г/см3

Микротвердость фаз, МПа

InTe

Sb2Te3

α

In3Sb2Te6

InSb2Te4

β

P = 0,15 Н

Р = 0,10 H

100

0,0

696

6,29

960

97

3,0

600,680

6,30

970

95

5,0

565,660

6,30

990

90

10

525,625

6,30

1020

83

17

525

6,31

Эвт.

Эвт.

80

20

525,560

6,32

1120

75

25

575

6,33

1100

68

32

550

6,30

Эвт.

Эвт.

60

40

550,590

6,33

1350

50

50

590,605

6,37

1340

40

60

590,610

6,34

1340

30

70

590,615

6,40

1330

870

20

80

590, 620

6,46

1330

870

10

90

595, 620

6,48

880

5,0

95

600

6,50

880

0,0

100

622

6,51

860

Ликвидус системы состоит из четырех кривых моновариантных равновесий: α-фаза, новые соединения In3Sb2Te6, InSb2Te4 и β-фаза (твердые растворы на основе Sb2Te3). α-фаза с соединением In3Sb2Te6 образует эвтектику состава 17 мол. % Sb2Te3 при 525 °C. Координаты второй эвтектики составляет 32 мол. % Sb2Te3 при 550 °C.

Некоторые физико-химические данные сплавов системы InTe-Sb2Te3 приведены в табл. 2. При измерении микротвердости сплавов системы InTe-Sb2Te3 получены четыре ряда значений табл. 2.

Для α-фазы микротвердость изменяется в пределах (960–1020) МПа, значение микротвердости (1100–1120) МПа соответствует фазе In3Sb2Te6, значение микротвердости (1330–1350) МПа соответствует фазе InSb2Te4, для β-фазы значения микротвердости изменяется в пределах (860–880) МПа.

Электрофизические свойства твердых растворов (Sb2Te3)1-х(InTe)x (где х = 0,01; 0,02; 0,05) измерены в интервале Т = 300–575 К. Температурная зависимость удельной электропроводности твердых растворов на основе Sb2Te3 приведена на рис. 3. Как видно, с ростом температуры электропроводность для всех образцов твердых растворов (Sb2Te3)ı-x(InTe)x (где х = 0,01; 0,02; 0,05) значительно уменьшается, а в дальнейшем, с ростом температуры, увеличивается.

mamed3.wmf

Рис. 3. Температурные зависимости электропроводности сплавов твердых растворов (Sb2Te3)1-x (InTe)x: 1 – 0,01; 2 – 0,02; 3 – 0,03;4 – 0,05)

mamed4.wmf

Рис. 4. Температурные зависимости термо-э.д.с. сплавов твердых растворов (Sb2Te3)1-x (InTe)x: 1 – 0,01; 2 – 0,02; 3 – 0,03; 4 – 0,05)

При температуре 300 К электропровод- ность для сплавов, содержащих 1, 2, 3, и 5 мол. % InTe, составляет σ = 16,8.104 Ом1-м-1, 15,8.104 Ом1-м-1, 14.103 Ом1-м-1 и 12.104 Ом1-м-1, соответственно уменьшаясь с повышением содержания InTe в составе твердых растворов. Электропроводность падает в интервале температур Т = 300–575 К, в этой области проводимость носит металлический характер, затем возрастает, что говорит о наступлении собственной проводимости (рис. 3).

На рис. 4 представлен график температурной зависимости коэффициента термо-э.д.с. сплавов твердых растворов (Sb2Te3)1-x(InTe)x. (х = 0,01; 0,02; 0,03; 0,05). С ростом температуры для сплавов содержащих 1, 2, 3 и 5 мол. % InTe соответственно, термо-э.д.с. возрастает до значений 87, 93, 97 и 100,5 мкВ/К, после чего постепенно падает с дальнейшим повышением температуры. Исследованные сплавы твердых растворов имеют p-тип проводимости.