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).
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.
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.
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)
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.
Библиографическая ссылка
Мамедова Н.А., Алиев И.И., Мехтиева С.Т., Амирасланов И.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ INTE-SB2TE3 // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2020. – № 2. – С. 137-141;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13025 (дата обращения: 18.02.2025).