МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра микро- и наноэлектроники

Курсовая РАБОТА

по дисциплине «Физико-химические основы технологии изделий электроники и наноэлектроники»

Тема: Термодинамический анализ физико-химического процесса

Студент гр.
Преподаватель		Александрова О.А.

Санкт-Петербург

2024

Аннотация

В ходе курсовой работы был проведен термодинамический анализ процесса выращивания соединения ZnS из газообразных компонентов Zn и S₂ в реакторе. Приведено описание получаемого соединения сульфида цинка и справочные данные для осуществления расчетов параметров, необходимых для анализа. Были проанализированы основной процесс образования ZnS, процессы сублимации исходных компонентов и процесс окисления металла. В результате приведенных исследований и расчетов были построены р-т-диаграммы системы ZnS, определены термодинамические условия проведения процесса, а также оценен диапазон давлений n- и p-типа электропроводности.

Summary

During the coursework, a thermodynamic analysis of the ZnS compound growth process from gaseous Zn and S₂ components in a reactor was performed. A description is provided for the resulting zinc sulfide compound, along with reference data necessary for parameter calculation. The ZnS formation process, sublimation of the initial components, and metal oxidation process were analyzed. As a result of the research and calculations, p-T diagrams for the ZnS system were constructed, thermodynamic conditions for the process were determined, and the pressure range for n-type and p-type electrical conductivity was estimated.

Содержание

	Введение	4
1.	Справочные данные и описание соединения	5
1.1	Описание структуры, свойств и применения соединения	5
1.2	Справочные данные	7
2.	Анализ основного процесса	8
2.1	Определение константы равновесия по давлению	8
2.2	Расчет и построение зависимости константы равновесия от температуры	8
2.3	Определение координат рабочей точки	11
3.	Анализ процесса сублимации и испарения исходных компонентов	12
3.1	Анализ процесса сублимации и испарения цинка	12
3.2	Анализ процесса сублимации и испарения серы	14
4.	Построение Р-Т-диаграмм	18
4.1	Построение Р-Т-диаграммы в координатах	18
4.2	Построение Р-Т-диаграммы в координатах	19
4.3	Оценка диапазона изменения соотношения давлений компонентов	20
5	Определение термодинамических условий проведения процесса	21
6	Оценка возможности окисления цинка	23
6.1	Расчет термодинамических параметров	23
6.2	Расчет , построение графика	25
7	Оценка диапазона давлений n- и p-типа электропроводности.	27
	Заключение	29
	Список использованной литературы	31

Введение

Целью работы является проведение термодинамического анализа процесса выращивания монокристаллов (или эпитаксиальных слоев) соединения ZnS заданного типа электропроводности (n-тип) из газообразных компонентов.

В ходе анализа необходимо рассчитать возможный диапазон синтеза соединения, и в его пределах выбрать конкретную температуру T_ZnS.

Также, необходимо провести анализ процессов сублимации и испарения компонентов соединения, построить P-T-диаграммы для тех же компонентов, указать термодинамические условия протекания реакции, а также оценить возможность окисления металлического компонента Zn.

1. Справочные данные и описание соединения

1.1. Описание структуры, свойств и применения соединения

Сульфид цинка — бинарное неорганическое соединение цинка и серы.

В природе ZnS встречается в виде минералов сфалерита α-ZnS (цинковая обманка) — основного сырья для получения цинка и вюрцита β-ZnS, — редкого минерала с таким же химическим составом, но отличающегося от сфалерита типом кристаллической решётки.

Сульфид цинка — бесцветные кристаллы, желтеющие при нагревании свыше 150 °C. При нормальных условиях устойчива α-модификация. Во влажном воздухе сульфид цинка окисляется до сульфата; при нагревании на воздухе образуется ZnO и SO2. В воде нерастворим, в кислотах растворяется с образованием соответствующей соли цинка и выделением сероводорода. При легировании следами меди, кадмия, серебра и других металлов приобретает способность к люминесценции.

С ульфид цинка может быть получен пропусканием газообразного сероводорода через водные растворы солей цинка, например, хлорида, обменной реакцией водорастворимой соли цинка с водорастворимым сульфидом, например, щелочных металлов, прямым синтезом из элементов — сплавлением порошков цинка и серы.

а б

Рисунок 1 – Сульфид цинка: а – Сфалерит, б – Элементарная ячейка ZnS

Применение: создание люминофоров, полупроводниковых лазеров, ИК-прозрачных окон и линз; наноструктуры на основе сульфида цинка используются в медицине, оптоэлектронике, лазерной технике, QD-LED дисплеях и т. д.

Рисунок 2 - T-x проекция диаграммы состояния системы Zn-S

1.2. Справочные данные

Необходимые для проведения термодинамического анализа данные приведены в таблицах 1 и 2:

Таблица 1