Державний вищий навчальний заклад

«Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника»

Фізико-технічний факультет

Кафедра теоретичної та експериментальної фізики

Дипломна робота

на здобуття освітнього рівня магістра

Фізико–хімічні властивості плюмбум телуриду та дефектна підсистема твердих розчинів PbTe-Sb₂Te_3.

Виконала: студентка VIкурсу,

групи ФА(М)-21(З),

спеціальності 8.04020301 «Фізика»

Климович М.М.

Керівник:

кандидат хімічних наук, доцент кафедри теоретичної та експериментальної фізики

Бойчук В.М.

Рецензент:

доктор фізико-математичних наук,

професор кафедри фізики та хімії твердого тіла

Салій Я. П.

Рецензент:

кандидат фізико-математичних наук

інституту металофізики

ім. Г.В.Курдюмова НАНУ

Груб’як А.Б

Івано-Франківськ - 2017р.

Анотація

Тема дипломної роботи: Фізико–хімічні властивості плюмбум телуриду та дефектна підсистема твердих розчинів PbTe-Sb₂Te_3.

Дипломна робота складається як експериментальних, так і теоретичних результатів пов’язаних із кристалохімією дефектів, їх природою та зарядовим станом як у самому плюмбум телуриді, так і твердих розчинах на його основі. Основною перевагою твердих розчинів у порівнянні із бінарними сполуками є можливість за рахунок зміни складу ефективно впливати на основні властивості матеріалу: ширину забороненої зони, спектральні і температурні характеристики.

Плюмбум телурид є основним матеріалом для створення термоелектричних перетворювачів енергії , фотоприймальних пристроїв, а також випромінювальних структур інфрачервоного діапазону оптичного спектру. Він кристалізується у структурі типу NaCl, яка є характерною для іонних кристалів.

ЗМІСТ

Анотація...…………………………………………………………………………3

Вступ…………………………………………………………………………….…4

1. Розділ І. Фазові діаграми рівноваги і фізико–хімічні властивості у системах Pb –Sb –Te.......................................................................................6

   1. Система Рb–Те і фізико–хімічні властивості плюмбум телуриду .……..6

   2. Системи Sb-Te, і фізико-хімічні властивості Sb₂Te₃…………….……….13

   3. Область гомогенності твердого розчину PbTe–Sb₂Te₃…………….…...15

   4. Дефектна підсистема і фізико-хімічні властивості сполук A^ІVB^ІV..............................................................................................................18

2. Розділ ІІ. Синтез кристалів систем Pb–Sb–Te та методи дослідження фізико – хімічних властивостей..................................................................22

   1. Загальна характеристика вихідних компонентів……………………...22

   2. Синтез сплавів………………………………………………….......……25

      1. Методи вирощування монокристалів ………….…………………...…26

   3. Методи контролю відхилення від стехіометрії……………….....…...30

   4. Дослідження фазового складу, мікроструктури та твердості…..……33

   5. Методи вимірювання електричних параметрів…………………….....35

3. Розділ ІІІ. Механізми дефектоутворення кристалів в твердих розчинах PbTe–Sb₂Te₃...................................................................................39

   1. Кристалоквазіхімічні формули утворення твердих розчинів PbTe–Sb₂Te_3……………………………………………………………….....39

   2. Обговорення результатів…………………………………………………..46

Висновки………………………………………………………………………....51

Список використаної літератури……………………………………………….53

Додатки…………………………………………………………………………...58

ВСТУП

Актуальність теми. Плюмбум телурид є основним матеріалом для створення термоелектричних перетворювачів енергії у середній ділянці температур, фотоприймальних пристроїв, а також випромінювальних структур інфрачервоного діапазону оптичного спектру. Він кристалізується у структурі типу NaCl, яка є характерною для іонних кристалів. Хімічний зв’язок є складним і наближається до іонно-ковалентно-металічного. За умови реалізації тільки іонного зв’язку можна стверджувати, що атом Плюмбуму віддає два електрони і залишається у вигляді іона Pb⁺², а іони Телуру перебувають у двозарядному від’ємному стані Te^-2. Іонність кристалічної гратки підтверджується і у значній (на порядок величини) різниці між статичною ε₀ і високочастотною ε_∞ діелектричними проникностями (414 і 33 відповідно). PbTe характеризується значними відхиленнями від стехіометричного складу і двосторонньою областю гомогенності, що є причиною значної концентрації (10¹⁸-10¹⁹см^-3) електричноактивних власних дефектів – вакансій у підгратці металу чи халькогену відповідно .

На даний час, не дивлячись на значну кількість як експериментальних, так і теоретичних результатів, питання, пов’язані із кристалохімією дефектів, їх природою та зарядовим станом як у самому плюмбум телуриді, так і твердих розчинах на його основі, залишаються дискусійними. Зауважимо, що перевагою твердих розчинів у порівнянні із бінарними сполуками є можливість за рахунок зміни складу ефективно впливати на основні властивості матеріалу: ширину забороненої зони, спектральні і температурні характеристики.

Отже, дослідження фізико-хімічних властивостей твердих розчинів на основі телуриду свинцю, механізмів їх утворення та природи атомних дефектів з метою керованого синтезу є дуже важливим.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення домінуючих моделей атомних дефектів та механізмів утворення твердих розчинів у системах PbTe:Sb₂Te_3.

Виходячи із вище викладеного у кваліфікаційній роботі були поставлені і виконані наступні завдання:

1. Здійснити синтез бінарних сполук PbTe, Sb₂Te₃ а також твердих розчинів на їх основі із різним ступенем відхилення від стехіометричного складу.

2. Методами хімічного аналізу, рентгенографії і металографії уточнити межі існування твердих розчинів Pb–Sb–Te.

3. Експериментально дослідити залежність комплексу фізико-хімічних параметрів вище вказаних матеріалів від складу і технологічних факторів їх синтезу.

4. Запропонувати кристалоквазіхімічні рівняння основних механізмів дефектоутворення у кристалі Pb-Te та твердих розчинах на їх основі.

5. На основі аналізу експериментальних результатів і кристалохімічних розрахунків зробити висновки про переважаючі точкові дефекти і механізми утворення твердих розчинів у досліджуваних системах.

6. Визначити склад і технологічні фактори синтезу та вирощування сплавів систем Pb-Sb-Te, із наперед заданими властивостями, необхідними для потреб напівпровідникової техніки.