Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ INTE-SB2TE3

Мамедова Н.А. 1 Алиев И.И. 1 Мехтиева С.Т. 2 Амирасланов И.Р. 3
1 Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Нагиева НАН Азербайджана
2 Гянджинский государственный университет
3 Институт физики НАН Азербайджана
В данной работе комплексными методами физико-химического анализа изучено взаимодействие компонентов и построена Т-х-фазовая диаграмма системы InTe-Sb2Te3. Система квазистабильная и в субсолидусе кристаллизуются два двухфазных сплава (α + In3Sb2Te6) и (β + InSb2Te4). В системе образуются два соединения составов In3Sb2Te6 и InSb2Te4. Соединение In3Sb2Te6 плавится конгруэнтно при 575 °С, а соединение InSb2Te4 инконгруэнтно при 590 °С. В системе определена узкая область твердых растворов на основе исходных компонентов. Область твердых растворов на основе InTe простирается до 3 мол. %, а на основе Sb2Te3 – до 5 мол. %. Результаты рентгенографических данных показали, что соединение In3Sb2Te6 кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии с параметрами решетки: a = 4,2248; b = 4,2248; c = 30,3229 Å. пр.гр.R-3m. Соединение InSb2Te4 изоструктурно с In3Sb2Te6 и кристаллизуется в ромбоэдрической сингонии с параметрами элементарной ячейки: a = 4,2374; b = 4,2374; c = 30,3938 Å. пр.гр. R-3m. Часть диаграммы состояния системы α + In3Sb2Te6 образует эвтектику состава 17 мол. % Sb2Te3 и плавится при 525 °С. Соединения In3Sb2Te6 и InSb2Te4 между собой образуют эвтектику состава 32 мол. % Sb2Te3 и плавится при 550 °C. Для определения полупроводникового характера и области применения полученннных образцов изучены электрофизические свойств в интервале температур 25–300 °С. Изучены температурная зависимость электропроводности и термо-э.д.с. твердых растворов (Sb2Te3)1-x(InTe)x (где х = 0,01; 0,02; 0,03; 0,05). Концентрационная зависимость электрофизических параметров указывает на процес компенсации носителей зарядов при малых содержаниях InTe в Sb2Te3. Полученные сплавы твердых растворов на основе Sb2Te3 являются полупроводниками p-типа проводимости.
система
твердый раствор
квазибинарный
эвтектика
солидус
1. Боледзюк В.Б., Кудринский С.Г., Ковалюк С.Д., Шевченко А.Д. Ферромагнетизм при комнатной температуре в слоистых полупроводниковых кристаллах InTe, интеркальованих кобальтом // Журн. нано- и электрон. физики. 2015. Т. 7. № 1. С. 01027.
2. Pandian Mannu, Matheswaran Palanisamy, Gokul Bandaru, Sathyamoorthy Ramakrisamy, Meena Ramcharan, Asokan Kandasami. Structural and thermoelectric properties of Se doped In2Te3 thin films. AIP Advances. 2018. V. 8. P. 115015. DOI: 10.1063/1.5057734.
3. Athorn Vorauda, Chanchana Thanachayanont, Suwit Jugsujinda, Vittaya Amornkitbamrungc,Tosawat Seetawana. Study on Electronic Structure of β-In2Te3 Thermoelectric Materialfor Alternative Energy. Procedia Engineering. 2011. V. 8. P. 2–7. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.03.001Get rights and content.
4. Мехдиева И.Ф. Имамалиева С.З. Мирзоева Р.Дж., Бабанлы М.Б. Соединения типа новый класс тер­моэлектрических материалов с ано­мально низкой теплопроводностью // Микро- и нано­технологии в электронике: IX Международная научно-тех­ни­ческая конференция. Нальчик, 2017. C. 108–112.
5. Eliana M.F. Vieira, Joana Figueirab, Ana L. Piresc, José Griloa, Manuel F. Silva, André M.Pereirac, Luis M.Goncalves. Enhanced thermoelectric properties of Sb2Te3 and Bi2Te3 films for flexible thermal sensors. Journal of Alloys and Compounds. 2019. V. 774, 5 February. P. 1102–1116. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.09.324.
6. Bin Xu, Jing Zhang, Gongqi Yu, Shanshan Ma, Yusheng Wang, and Yuanxu Wang Thermoelectric properties of monolayer Sb2Te3. Journal of Applied Physics. 2018. V. 124. P. 165104. DOI: 10.1063/1.5051470.
7. Kulbachinskii V.A., Kytin V.G., Zinoviev D.A. et al. Thermoelectric Properties of Sb2Te3-Based Nanocomposites with Graphite. Semiconductors. 2019. V. 53. P. 638–640. DOI: 10.1134/S1063782619050129.
8. Мамедова Н.А., Алиев И.И., Шахбазов М.Г. Физико-химическое исследование системы Sb2Te3-GaTe // Приоритеты инновационно-технологического развития в условиях глобализация: Международная научно-практическая конференция. Белгород, 27 февраля 2019. С. 14–16.
9. Заргарова М.И., Мамедов А.Н., Аждарова Д.С., Ахмедова (Велиев) Дж.А., Абилов Ч.И. Справочник: Неорганические вещества, синтезированные и исследованные в Азербайджане. Баку: Изд. Элм, 2004. 462 с.
10. Физико-химические свойства полупроводниковых веществ. Справочник. М.: Изд-во Наука, 1979. 339 с.
11. Коломиец Н.Б. Измерение термоэлектродвижущей силы и удельного сопротивления в интервале температур от 20 до 1900 °С // Заводская лаборатория. 1962. Т. 28. № 2. С. 238–240.

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.


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://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=13025 (дата обращения: 23.01.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074