Добавил:

Kvant Когда то был здесь Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ"

Предмет:

Физико-химические основы технологии материалов электронной техники

Файл:

курсач PbSe / курсач

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

12.02.2026

Размер:

585.12 Кб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

МИНОБРНАУКИ России

«Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)»

кафедра МНЭ

Курсовая работа по дисциплине «Физико-химические основы технологии изделий

электроники и наноэлектроники»

«Термодинамический анализ физико-химического процесса»

Выполнил:

__________

Преподаватель:

__________

Никонова В. А.

Санкт-Петербург

2025

		Оглавление
1.	Структура и свойства ...............................................................................................................................................		3
2.	Анализ основного процесса.....................................................................................................................................		6
	2.1.	Выбор рабочей температуры........................................................................................................................	6
	2.2.	Расчёт константы равновесия.......................................................................................................................	6
3.	Анализ процессов сублимации................................................................................................................................		9
	3.1.	Сублимация свинца:......................................................................................................................................	9
	3.2.	Сублимация селена: ....................................................................................................................................	11
4.	Построение P-T диаграмм .....................................................................................................................................		13
	4.1.	Границы области гомогенности (ГОГ):.....................................................................................................	13
	4.1.1.	Верхняя линия:........................................................................................................................................	13
	4.1.2.	Линия стехиометрии: .............................................................................................................................	13
	4.1.3.	Нижняя линия: ........................................................................................................................................	14
	4.2.	Диапазон изменения давлений: ..................................................................................................................	16
5.	Определение парциальных давлений паров компонент и температуры нагревателей ....................................		17
6.	Оценка возможности окисления свинца...............................................................................................................		19
Заключение .....................................................................................................................................................................			22
Источники		.......................................................................................................................................................................	23

1. Структура и свойства

Рассмотрим структуру PbSe в промежутке температур от комнатной до температуры плавления.

В данном промежутке PbSe кристаллизуется в структуру типа NaCl [1].

Рисунок 1 - Кристаллическая структура PbSe типа NaCl [2]

Свойства материала приведены в таблице 1:

Таблица 1 - Свойства структуры PbSe типа NaCl при T = 300 К

Температура плавления	Тпл = 1354 К [1]

Энтальпия образования	ΔH°обр = -99.2 кДж/моль [1]

Ширина запрещённой зоны	ΔW = 0.29 эВ [1]

Постоянная решётки	a = 6.124 Å [3]

Коэффициент температурного расширения	α = 1.940 * 10-5 К-1 [4]

Применение PbSe:

-) Благодаря небольшой ширине запрещённой зоны материал находит

применение в фотоэлементах и лазерных материалах. Граница использования

материала рассчитывается по формуле: Wкв ≥ W

hv ≥ 0.29 эВ

v ≥ 0.07 * 1015 = 7 * 1013 Гц

Материал может быть использован в качестве датчика инфракрасного излучения.

-) Тензодатчики [1]

Термодинамические параметры Для выполнения курсовой работы необходимо знание термодинамических

параметров каждого компонента системы.

Таблица 2 - Термодинамические параметры

Вещество	ΔH°f298,	S°298,	Cp°, Дж/(моль*К)			Тпл, К

	кДж/моль	Дж/(моль*К)	a,	b*103,
			Дж/(моль*К)	Дж/(моль*К2)

PbSe(тв)	-99.2	102.51 [6]	50.21 [6]	-		1354

Pb(газ)	195.13 [6]	175.26 [6]	20.79 [6]	-		-

Se2(газ)	138.64 [6]	251.96 [6]	35.40 [6]	-		-

O2(газ)	0 [6]	205.17 [6]	29.37 [6]	-		-

PbO	-217.61 [6]	68.70 [6]	45.77 [6]	-		1159 [6]

Pb(конд)	0 [6]	64.85 [6]	24.22 [7]	8.71	[7]	601 [6]

Se(тв)	0 [6]	42.13 [6]	17.89 [7]	25.1	[7]	494 [6]

Таблица 3 - Термодинамические параметры фазовых переходов

Элемент	Тип перехода	Тфп	ΔHфп,	ΔSфп,
			кДж/мол	Дж/(моль*К)
Pb	Плавление	601 [6]	4.77 [6]	7.95 [6]
Pb	Кипение	2016 [6]	177.81 [6]	88.13 [6]
Se	Плавление	494 [6]	6.7 [6]	13.57 [6]
Se	Кипение	959 [6]	29.31 [6]	30.56 [6]

Диаграммы состояния:

Примем давление постоянным и равным атмосферному, p = 1 атм.

Рисунок 2 - Диаграмма состояния PbSe [5]

Выделим область гомогенности на диаграмме при отношении компонент материала ≈ 1:1

Рисунок 3 - Крупномасштабная диаграмма состояния PbSe [5]

2.Анализ основного процесса

2.1.Выбор рабочей температуры

Чтобы синтез требуемого материала не занял слишком много времени, будем поддерживать температуру Tраб во время синтеза.

Сверху температура будет ограничена 1200 К – температура размягчения кварца, из которого состоит реактор синтеза, а снизу ограничим в 500 К, чтобы процесс не был неоправданно медленным.

Также будет учтена температура плавления синтезируемого материала. Температура должна быть достаточна высокая, чтобы процесс шел быстро, но материал должен быть осаждён в твёрдой фазе, поэтому сверху имеем ограничение в виде температуры плавления PbSe. Ограничим температуру сверху до 0.9TплPbSe, чтобы флуктуации температур не повлияли на процесс. Снизу ограничение 0.7TплPbSe для ускорения синтеза.

[0.7

, 0.9

]

{

раб

пл

= 1000 К

раб (500, 1200) К

раб

2.2.

Расчёт константы равновесия

Пример расчёта для 298 К:

∆ 0

∑ ∆ 0

= −1 ∙ ∆ 0

−

∙ ∆ 0

+ 1 ∙ ∆ 0

298( )

298( 2)

298( )

∆ 0

= −195.13 ∙ 103 −

138.64 ∙ 103

− 99.2 ∙ 103 = −363.65 кДж

298

∆ 0 = ∑ ∆ 0

= −1 ∙ ∆ 0

−

∙ ∆ 0

+ 1 ∙ ∆ 0

298( )

298( 2)

298( )

∆ 0

= −175.26 −

251.96 + 1 ∙ 102.51 = −198.73

Дж

298

∆ 2980 = ∆ 2980 − ∆ 2980

∆ 2980 = −363 650 + 298 ∙ 198.73 = −304 428 Дж

∆ 0

= ∑ ∆ 0

= −1 ∙ ∆ 0

−

∙ ∆ 0

+ 1 ∙ ∆ 0

( )

( 2)

( )

∆ 0

= −(20.79) −

(35.40) + 50.21 = 11.72 Дж

∆ 0

= − ,

= 8.314

Дж

моль ∙

−∆ 0

−304 428

298

= −

= 122.874

298

8.314 ∙ 298

Пример расчета для 494:

∆ 0

= ∆ 0

+ ∫ ∆ 0 ,

298

494

∆ 0

= −304 428 + ∫

11.72 = − 361 353 Дж

494

298

∆ 0

= ∆ 0

+ ∫

298

∆ 0

494

11.72

Дж

= −198.73 + ∫

= − 192.806

494

298

∆ 0

= ∆ 0 − ∆ 0

∆ 4940 = −361 353 + 494 ∙ 192.81 = −266 106.61 Дж

	= −		∆ 0



= −		−266 106.61		= 64.823

		8.31 ∙ 494

Значения для других температур занесём в таблицу

Таблица 4 – Значения логарифма константы равновесия для рассматриваемых температур

T, K	∆ 0, Дж		Дж	∆ 0, Дж		lgKp
		∆ 0,
		∆ 0,	К
			К
298	-363 650	-198.73		-304 428	122.874	53.363
494	-361 352	-192.806		-266 107	64.792	28.139
601	-360 099	-190.508		-245 603	49.153	21.347
1000	-355 423	-184.541		-170 882	20.553	8.926
1354	-351 274	-180.989		-106 214	9.435	4.098

Построим зависимость lnKp = f(1/T)

Рисунок 4 – Зависимость логарифма константы равновесия №1 от обратной температуры

Из уравнения изотермы:

∆0	= −	+ (	1	)	[8]

			0.5
			0.5		реальн
			2		реальн

Условие, чтобы реакция проходила самостоятельно в прямом направлении:

∆0 < 0

Чтобы это условие выполнялось в рассматриваемой задаче, логарифм обратных давлений должен быть меньше логарифма константы равновесия.

Выберем рабочую точку: (1/Tраб, ln(−1	∙ −0.5)	< lnK(1/Tраб)). Выберем
	2	реальн
ближайшее целое число.

Рисунок 5 – Зависимость lnKp = f(1/T) с выбранной рабочей точкой

Значение ln(P-1Pb*P-0.5Se2)реальных = 20 в выбранной точке

3. Анализ процессов сублимации

Расчёт термодинамических параметров для вспомогательных процессов сублимации.

3.1.Сублимация свинца:

Вид реакции: конд газ

Константа равновесия для приведённой реакции: KpII = PPbгаз=PPbравновес 1) Пример расчёта для T = 494 К:

∆C0

= ∆C0

− ∆C0

= 20.79 − 24.22 − T 8.71 10−3 =

(Pbгаз)

(Pbконд)

= −3.43 − T 8.71 10−3 Дж/К

∆H0 = −∆H0

+ ∆H0

= 195.13 кДж

298

f298(Pbконд)

f298(Pbгаз)

∆ 0

= ∆ 0

+ ∫ ∆ 0

298

494

298

∆ 0

= 195 139 + ∫

−3.43 − 8.71 10−3 = 193 782 Дж

494

298

∆S2980 = −∆Sf2980

(Pbконд) − ∆Sf2980

(Pbгаз) = −64.86 + 175.26 = 110.41 Дж/К

∆ 0

= ∆ 0

+ ∫

298

∆ 0

494

−3.43 − T 8.71 10−3

Дж

= 110.41 + ∫

= 106.97

494

298

∆G0

= ∆H0

− 494 ∆S0

= 193 782 − 494 106.97 = 140 938.8 Дж

494

298

−∆G0

140 938.8

lnK298

298

= −

= −34.316

8.314 ∙ 494

R 298

2) Пример расчёта для T = 1000 K:

∆CP0′ = ∆CP0|T=TплPb = −3.43 − 601 8.71 10−3 = −8.6647 Дж

				ф.п.
	∆ 0		= ∆ 0	+ ∫		∆ 0	− ∆ 0	+ ∫	∆ 0′
			298	298			ф.п.	ф.п.
				298				ф.п.
				601
∆ 0		= 195130 + ∫			(−3.43 − 8.71 10−3) − 4770
1000

298

1000

+ ∫ −8.6647 = 184 677 Дж

601

ф.п. ∆ 0

∆ 0′

∆ 0 = ∆ 0

+ ∫

− ∆ 0

+ ∫

298

ф.п.

∆ 0

= ∆ 0

∫601

−3.43− 8.71 10−3

− 7.95 + ∫1000

−8.6647

= 93 Дж/К

1000

298

601

∆G0

= ∆H0

− 1000 ∆S0

= 192 976 − 1000 93 = 99 973 Дж

1000

−∆G0

99 976

lnK298 =

298

= −

= −12.025

R 298

8.314 ∙ 1000

Значения для остальных рассматриваемых температур занесём в таблицу 5:

Таблица 5 – Параметры процесса сублимации свинца

T, K	∆ 0, Дж	∆ 0	,	Дж	∆ 0, Дж		lnPPbравновес
		∆ 0	,
				К
298	195 130	110.41			162 228	-65.479	-65.479
494	193 782	106.97			140 939	-34.316	-34.316
601	192 904	105.36			129 580	-25.933	-25.933
1000	184 677	93.00			91 674	-11.026	-11.026
1354	181 610	90.38			59 239	-5.262	-5.262

По полученным значениям построим зависимость логарифма константы равновесия от обратной температуры:

Рисунок 6 – Зависимость логарифма константы равновесия №2 от обратной температуры для сублимации свинца

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке курсач PbSe

#
12.02.2026464.29 Кб0fxot.xmcd
#
12.02.2026585.12 Кб1курсач.pdf