научная статья по теме СОЕДИНЕНИЯ И ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ В СИСТЕМАХ ZN–P, ZN–AS, CD–AS, ПОЛУЧЕННЫЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР Химия

Текст научной статьи на тему «СОЕДИНЕНИЯ И ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ В СИСТЕМАХ ZN–P, ZN–AS, CD–AS, ПОЛУЧЕННЫЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР»

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2014, том 59, № 1, с. 58-64

СТРУКТУРА НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

УДК 537.311.322

СОЕДИНЕНИЯ И ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ В СИСТЕМАХ Zn-P, Zn-As, Cd-As, ПОЛУЧЕННЫЕ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ И

ТЕМПЕРАТУР

© 2014 г. В. М. Трухан, С. Ф. Маренкин1, 2, Т. В. Шёлковая

ГО "НПЦНАНБеларуси по материаловедению", Минск E-mail: truhan@ifttp.bas-net.by Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Москва 2Институт общей и неорганической химии РАН, Москва

Поступила в редакцию 25.11.2011 г., после доработки 09.06.2013 г.

Представлен анализ методов получения и данные по кристаллическим структурам фаз высокого давления, образующихся в системах Zn—P, Zn—As, Cd—As. Рассмотрен характер взаимодействия между ZnP4 и CdP4 в стандартных и в условиях высоких давлений.

DOI: 10.7868/S0023476114010184

ВВЕДЕНИЕ

Соединения, образующиеся в системах Zn—P, Zn—As и Cd—As, относятся к группе полупроводников AIIBV. Для ряда этих соединений характерна уникальная анизотропия электрических и оптических свойств, в частности значительное двулучепреломление, возникновение эффекта поперечной термоЭДС, влияние кристаллографической направленности на оптическое пропускание и др.

Синтез и физические свойства соединений, образующихся в системах Zn—P, Zn—As и Cd—As, полученных при стандартных условиях, приведены в [1—3]. В настоящей работе описаны получение и идентификация соединений и твердых растворов в вышеуказанных системах, синтезированных в результате воздействия высоких давлений.

МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И ИДЕНТИФИКАЦИИ ФАЗ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Синтез проводился в цилиндрической капсуле, помещенной в контейнер из литографского камня при давлении 4—5 ГПа. Соединения Zn7P10 и ZnP4 синтезированы из смеси взятых в стехио-метрическом соотношении исходных компонентов Zn и Р. Дифосфид цинка ромбической модификации был получен из моноклинного ZnP2, сплавы ZnP4—CdP4 из исходной однородной смеси порошков ZnP2, CdP4 и черного кристаллического фосфора [4—6]. Исходные смеси под давлением нагревались до температур 1300—1370 К в

течение 10—15 мин, затем охлаждались со скоростью 2—3 К/мин при высоком давлении до 1260— 1270 К. На последнем этапе синтеза проводили закалку со скоростью ~1000 град/мин и по достижении комнатной температуры давление резко сбрасывалось. Избранный режим синтеза обеспечивал кристаллизацию всех сплавов из расплава. Капсула, изготовленная из смеси графита и нитрида бора, не взаимодействовала с расплавами реакционной смеси и легко отслаивалась после синтеза. Точность измерения температуры составляла ±0.5°.

При воздействии высокого давления (4—5 ГПа) и температур (до 1475 К) на соединения Zn3As2, Cd3As2, ZnAs2 и CdAs2 с помощью дифференциально-термического анализа (ДТА) были установлены области существования фаз высокого давления Zn3As2 III, Cd3As2 III, ZnAs и CdAs.

Рентгенографические исследования проводились на дифрактометре ДРОН-3, излучение ^CuZ"a, Zß-составляющая исключалась с помощью Ni-фильтра. Значения углов 29 находили по центру тяжести дифракционных максимумов. Точность определения углов 29 составляла с учетом всех инструментальных поправок 0.005°. Ди-фрактограммы соединений ZnP2, ZnP4, Zn7P10 ромбической, тетрагональной и ромбической модификаций соответственно представлены на рис. 1.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В результате интерпретации полученных порошковых рентгенограмм методом Ритвельда и

ч <u

X н о

л н о о X и а

о X

<U

н X

И

100

80 60 40 20

0 100

80 60 40 20

0 100

80 60 40 20

0

1 I I I I I I Г

20 40 60 80

100

1 Г

120 29,град.

Рис. 1. Дифрактограммы соединений ромбической 2и?2, тетрагональной 2п?4 и ромбической 2п7?10 модификаций

Ле Бэйла [7] с помощью программы FullProf [8] установлены параметры элементарной кристаллической решетки и пространственные группы соединений, полученных при высоких давлениях.

Для гпР2: а = 21.02(1), Ь = 20.69(1), с = 21.70(1) А, пр. гр. Р21212. Плотность соединения 2пР2, полученного при высоких температурах и давлении, определена методом гидростатического взвешивания. На основании полученной величины Рэксп= 3.58 г/см3, рассчитано число формульных единиц в элементарной ячейке Z = 160. Рентгеновская плотность ррасч = 3.58 г/см3. Это позволило показать, что наряду с тетрагональной и моноклинной модификациями, полученными при обычном давлении, существует метаста-бильная ромбическая модификация 2пР2, ко-

торую можно рассматривать как искаженную кубическую, так как а, Ь и с близки по величине, а объем элементарной ячейки в 20 раз больше объема 2пР2(т) и объема 2пР2(м). Тетрагональная (красная) модификация фазы 2пР2 обычно получается в зоне конденсации при температуре 1060—1130 К [9]. При более низких температурах синтеза получают смесь тетрагональной и моноклинной модификаций 2пР2, а выше 1140 К растут только кристаллы моноклинной модификации.

Получение ромбической модификации ди-фосфида цинка [5] уточняло результаты работы [10], в которой исследовалось поведение при высоком давлении дифосфида цинка моноклинной, тетрагональной модификации и смеси цинка с фосфором, взятых в различных соотношениях, и

Рис. 2. Фазовая диаграмма ZnP2.

обнаружена область существования (рис. 2) "псевдокубической" модификации 2пР2 с параметром решетки а = 5.32(2) А. Однако более детальные исследования позволили интерпретировать эту фазу как ромбическую модификацию ди-фосфида цинка [5].

Для кристаллов 2пР4 установлено, что они относятся к тетрагональной сингонии с пр. гр. Р4{2{2, а = 5.015(3), с = 14.540(5) А. Из полученной экспериментальной плотности соединения 2пР4 р2пР4 = 3.40 г/см3 определено Z = 4 [6]. Рентгеновская плотность 2пР4 р2пР4 = 3.44 г/см3. Элементарную ячейку 2пР4 можно рассматривать как

элементарную ячейку тетрагонального ZnP2 [1], из которой удалена половина атомов цинка и которая вследствие этого сжата по оси с. Уточненные [11] параметры элементарной ячейки а = = 5.0073(1), c = 14.5154(2) Ä, определенные при Т = 273 К, незначительно отличаются от значений при Т = 296 К [6].

В [11] на основе рентгенодифракционных данных построены карты распределения деформационной электронной плотности (ДЭП) в кристалле ZnP4 (рис. 3), свидетельствующие о преимущественно ковалентном характере связи в этом соединении. На них наблюдаются хорошо локализованные ковалентные мостики связи, максимумы которых существенно смещены в сторону электроотрицательного фосфора, что может свидетельствовать о наличии значительной ионной составляющей связи Zn-P. Отметим, что кристаллографическая неидентичность атомов фосфора P1 и P2 отчетливо проявляется и при анализе карт распределения ДЭП: максимумы на связях Zn1-P1 более сильно смещены к атомам фосфора, чем на связях Zn1-P2 (при этом наблюдается зависимость - чем больше длина связи, тем больше смещение). Кроме того, высота максимумов ДЭП на связях Zn1-P1 и Zn1-P2 неодинакова и равна 0.22 и 0.16 э/Ä3 соответственно. На связи P-P имеются два максимума, расположенные вблизи середины связи фактически симметрично, что характерно для чисто ковалентной связи (длины связей P-P в кристалле близки по величине к длинам связей в чистом фосфоре). Наличие делокализованных электронов свидетельствует о возможной частичной металлизации связи.

Рис. 3. Карты распределения ДЭП в кристалле ZnP4.

T, K 1400

1200

1000

800

600

400

Жидкость

II

III

0

10

20

30

40 50 P, 108 Па

Рис. 4. Фазовая диаграмма Zn3As2.

Для соединения Zn7P10 установлено, что оно кристаллизуется в орторомбической сингонии (пр. гр. Fdd2, а = 25.236(8), b = 21.608(7), с = = 4.425(2) Ä). При исследовании отожженных образцов установлено, что соединение Zn7P10 устойчиво до температур ~670 К. В интервале 670770 К Zn7P10 разлагается на Zn3P2 и моноклинный ZnP2. Соединение ZnP4 в указанном температурном интервале также разлагается с выделением фосфора.

Поведение соединений Zn3P2 и Cd3P2 при высоком давлении исследовалось в [12]. На основании полученных данных авторы сделали вывод о существовании при высоком давлении кроме а- и ß-модификаций, полученных при стандартных условиях, более плотно упакованных фаз Zn3P2 III и Cd3P2 III подобно тому, как это наблюдалось

при высоких давлении и температуре в Zn3As2 и Cd3As2.

Характер кривых плавления и полиморфизм соединений Zn3As2 и Cd3As2 при высоком давлении исследован в [13] с помощью ДТА. Построенные в этой работе р- Т-диаграммы для Zn3As2 и Cd3As2 приведены на рис. 4 и 5. Авторы обнаружили новые, существующие только при высоком давлении, модификации Zn3As2 III и Cd3As2 III. Получить эти фазы в закаленном виде не удалось. Существование новых полиморфных модификаций приводит к появлению на р-Т-диаграммах тройных точек типа жидкость-твердое тело II-твердое тело III и твердое тело I-твердое тело II-твердое тело III. По характеру границ раздела твердых фаз авторы судят о степени плотности различных полиморфных модификаций. Так, граница а-ß-перехода в Zn3As2 и Cd3As2 имеет небольшой наклон, что свидетельствует о небольшом изменении объема при а-ß-пре-вращении. Очень большой наклон границы II-III говорит о том, что фазы Zn3As2 III и Cd3As2 III имеют значительно большую плотность по сравнению с а- и ß-модификациями. Для соединений Zn3As2 III и Cd3As2 III получить рентгенограммы не удалось.

Превращения в ZnAs2 и CdAs2 в твердом состоянии при высоком давлении обнаружены в [14]. В [15] проведены эксперименты по закалке в системах Zn3As2-As и Cd3As2-As. В результате этих исследований обнаружено, что при высоких давлениях и температурах ZnAs2 и CdAs2 распадаются на свободный мышьяк и новые фазы высокого давления ZnAs и CdAs. Фазовые диаграммы ZnAs2 и CdAs2 приведены на рис. 6, 7. Сплошными линиями представлены результаты [14], а точками -

T, K 1000

900

800

700

600

500

400

300

0

Жидкость

II

III

10 20

30 40 P, 108 Па

T, K

1000 _ Жидкость

_ I • II □

900

Vе • • □□□ □

о о\ • ••• • □ □

800 -

о ZnAs2 \ о о • • • □□

700 • ZnAs2 + ZnAs + As _ □ ZnAs + As \ о о • •

10

20

30

40 50 P, 108 Па

Рис. 5. Фазовая диаграмма Cd3As2.

Рис. 6. Фазовая диаграмма ZnAs2.

0

Рис. 7. Фазовая диаграмма CdAs2.

данные [15]. Границу перехода

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.

Показать целиком