Статья поступила в редакцию 22.09.15. Ред. per. № 2360
The article has entered in publishing office 22.09.15. Ed. reg. No. 2360
УДК 661.8...5; 538.971
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ОКИСЛЕНИЯ СЛОЕВ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДОВ СВИНЦА И КАДМИЯ
Е.В. Мараееа, А.И. Максимов, Л.Б. Матюшкин, В.А. Мошникое, А.А. Шупта
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) РФ 197376, Санкт-Петербург, ул. Профессора Попова, 5 тел.: +7(812) 346-44-87; e-mail: jenvmar@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.018 Заключение совета рецензентов: 01.10.15 Заключение совета экспертов: 15.10.15 Принято к публикации: 23.10.15
Работа посвящена получению и исследованию слоев на основе сульфида свинца и кадмия. Проведен термодинамический анализ системы Pb-S-O, Cd-S-O. Показано, что при окислении сульфида свинца возможно появление нанообразований чистого свинца, а при окислении сульфида кадмия наиболее вероятными оксидными фазами являются CdO и CdSO4. Методом рентгеновского фазового анализа установлено, что в процессе термообработки слоев при температуре 200 °C происходит перекристаллизация сульфида кадмия, что согласуется с данными атомно-силовой микроскопии. Результаты исследования могут быть использованы для создания фотоизлучателей и фотоприемников, работающих при комнатной температуре.
Ключевые слова: тонкие пленки, сульфид свинца, сульфид кадмия, окисные пленки, халькогениды.
THE STUDY OF OXIDIZING FEATURES IN LEAD SULPHIDE - CADMIUM SULPHIDE LAYERS
E.V. Maraeva, A.I. Maximov, L.B. Matyushkin, V.A. Moshnikov, A.A. Shupta
Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI" named after V.I. Ulyanov (Lenin) 5 Prof. Popov st., Saint-Petersburg, 197376 Russian Federation ph.: +7(812) 346-44-87, e-mail: jenvmar@mail.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.018
Referred 1 October 2015 Received in revised form 15 October 2015 Accepted 23 October 2015
The study is dedicated to obtaining and investigation of lead sulphide - cadmium sulphide based layers. The paper data of thermodinamical analyses of Pb-S-O, Cd-S-O system are reported. It is shown that in case of lead sulphide oxidizing the appearance of Pb nanoparticles is possible; in case of cadmium sulphide oxidizing, the most probable oxygen phases are CdO and CdSO4. With the use of X-ray analyses, it is determined that during the annealing of the layers at T = 200° recrystallization of cadmium sulphide takes place that has correlation with atomic force microscopy data. The results can be used for producing photosensitive devices and LEDs operating at room temperature.
Keywords: thin film, lead sulfide, cadmium sulfide, oxide film, chalcogenides.
о
Максимов Александр Иванович Alexander I. Maximov
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, ассистент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: наноди-агностика, тонкие пленки, халькогениды, металлооксиды, пористые материалы Публикации: 28.
Мараева Евгения Владимировна Evgeniya V. Maraeva
Information about the author: PhD
(physics and mathematics), teaching assistant, Saint Petersburg Electrotech-nical University "LETI".
Education: Saint Petersburg Electro-technical University "LETI".
Research area: nanodiagnostics, thin film technology, chalcogenides, metal oxides, porous materials. Publications: 28.
Сведения об авторе: канд. физ.-мат. наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: физическая химия микро- и наносистем.
Публикации: 39.
Information about the author: PhD
(physics and mathematics), docent, Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI".
Education: Saint Petersburg Electro-technical University "LETI".
Research area: physical chemistry of micro- and nanosystems. Publications: 39.
м,
- С -'м1
с о
Матюшкин Лев Борисович Lev B. Matyushkin
Сведения об авторе: ассистент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Область научных интересов: нанодиагно-стика, коллоидные квантовые точки.
Публикации: 29.
Information about the author: teaching assistant, Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI".
Education: Saint Petersburg Electro-technical University "LETI".
Research area: nanodiagnostics, colloidal quantum dots.
Publications: 29.
-О
N
Вячеслав Алексеевич Мошников Vyacheslav A. Moshnikov
Сведения об авторе: д-р физ - мат. наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: наноди-агностика, нанотехнология, узкозонные полупроводники.
Публикации: 319.
Information about the author: DSc
(physics and mathematics), professor, Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI".
Education: Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI".
Research area: nanodiagnostics, nano-technology, narrow-gap semiconductors. Publications: 319.
* »л
' СШШШШ» -Ш
Шупта Анастасия Александровна Anastasiya A. Shupta
Сведения об авторе: студент, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Образование: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина).
Область научных интересов: нано-диагностика, халькогениды.
Публикации: 2.
Information about the author: student, Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI".
Education: Saint Petersburg Electro-technical University "LETI".
Research area: nanodiagnostics, chalcogenides.
Publications: 2.
Введение
Слои на основе халькогенидов свинца и кадмия традиционно используются для создания фотоизлучателей и фотоприемников, работающих в неохлаж-даемом режиме и обладающих высоким быстродействием, малым энергопотреблением и небольшими габаритно-весовыми параметрами [1]. Сульфид свинца - типичный представитель класса соединений Л1¥Б¥1, являющийся узкозонным материалом с шириной запрещенной зоны 0,41 эВ [2]. Кристаллы РЪ8 обладают кубической гранецентрированной решеткой типа №С1. Сульфид кадмия - представитель класса соединений ЛпБу: - является широкозонным полупроводником с шириной запрещенной зоны 2,42 эВ при 300 К [3]. Это свойство CdS используется в оптоэлектронике: как в фотоприёмниках, так и в солнечных батареях. Сульфид кадмия кристаллизуется как в структуре цинковой обманки (сфалерит), так и в структуре вюрцита.
Известно, что для получения фоточувствительно -сти и фотолюминесценции соединения на основе халькогенидов свинца и кадмия подвергают термообработке в кислородосодержащей атмосфере [4-7]. В связи с этим задача предварительного термодинамического анализа систем РЪ^-О, Cd-S-O представляется актуальной.
Теоретическая часть
Для анализа процессов окисления слоев на основе сульфида свинца была составлена и обработана система уравнений химических реакций, которая характеризует все возможные фазовые равновесия для системы РЪ^-О. Большинство исследователей, начиная с В.П. Зломанова [8], склоняются к мнению, что фоточувствительность и фотолюминесценция в структурах на основе селенида свинца проявляются при образовании селенитных фаз. Получение той или иной оксидной фазы зависит от термодинамических и кинетических условий окисления, а также отклонения от стехиометрии исходного материала. Например, в работе [9] показано, что оксидная фаза с составом, близким к РЪО, должна получаться для фаз селенида свинца с избытком металла, а PbSeO3 - для фаз с составом,
близким к стехиометрии по соотношению «металл -неметалл». В случае сульфида свинца наиболее вероятно образующейся фазой является PbSO4, в некоторых источниках указывается, что наряду с образованием оксида при отжиге может появляться и чистый свинец [10].
Диаграммы парциальных давлений для системы РЪ^-О были построены в координатах ^(Р^О2)) от ^(Р(О2)) следующим образом. Пространство координат разбивалось равномерной сеткой на N точек. В каждой точке определялась совокупность значений изменения свободной энергии Гиббса как функция от температуры AGi(T) для всех возможных химических реакций, и вычислялось минимальное значение, соответствующее одному из заданных химических уравнений, а значит, определенному продукту реакции. Совокупность точек, для которых из всех реакций одна и та же обладает минимальным значением ДGi(T), образует область парциальных давлений, для которой при данной температуре продукт этой реакции является наиболее устойчивым. На рис. 1-3 приведены диаграммы парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе РЪ^-О. Справочные данные для расчёта были взяты из [11, 12].
Расчеты проводились с учетом следующих зависимостей:
A H 0 = AH П„о +
T
H — 298 ^ Í AC pdT . 298
П П T AC I A S H = AS 298 + J -- dT,
AG 0 = A H 298 - T A S298 + J AC npdT - J dT.
298
298
T
T AC 0
298
298
На диаграммах (см. рис. 1-3) видны точки нонва-риантного трехфазного равновесия, которые реализуются при определенных давлениях газообразных компонентов. На рисунках видно, что при изменении температуры точки трехфазного равновесия смещаются. При температуре около 200 °С будет наблю-
даться точка, где в равновесии находятся сразу четыре твердые фазы. Можно проследить, что при повышении температуры точка трехфазного равновесия РЬ8-РЬ-РЬО превращается в точку трехфазного равновесия РЬ8-РЬ-РЬО-РЬ8О4.
Рис. 1. Диаграмма парциальных давлений и составы сосуществующих фаз в системе Pb-S-O при температуре 25 °C Fig. 1. The diagram of partial pressures and the composition of coex
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.