химическая связь и технологические особенности материалов

МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
УДК 546.196, 546.681
ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ Cd, Zn, Sb
Д. т. н. А. А. Ащеулов1, к. ф.-м. н. О. Н. Маник1, к. ф.-м. н. Т. О. Маник2,
В. Р. Билинский-Слотыло1
1
Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича,
Буковинский государственный финансово-экономический университет
Украина, г. Черновцы
manykto@rambler.ru, AshcheulovAA@rambler.ru
2
Методами статистической физики, теории упругости и динамики кристаллической решетки исследованы силовые и энергетические параметры химической связи кристаллов на основе Cd, Zn, Sb, антимонидов кадмия и цинка и твердых растворов на их основе.
Ключевые слова: математические модели, химическая связь, силовые постоянные, характеристические температуры.
Создание новых преобразователей энергии, способных эффективно решать важные задачи
электронной техники и приборостроения, связано с исследованием сложных низкосимметричных
кристаллических структур. Спрос на такие материалы постоянно опережает реальные возможности
материаловедения. Решение этой проблемы требует комбинированного теоретического рассмотрения
целого ряда вопросов, при котором гипотезы, описывающие количественно зависимость свойств материала от состава и структуры вещества, могут быть математизированы последовательно на всех
участках [1].
Выбор в качестве объекта исследования антимонидов кадмия и цинка и твердых растворов на
их основе обусловлен перспективностью этих полупроводниковых материалов для приборов электронной техники. Кроме того кадмий, цинк и сурьма довольно распространены в природе, относительно дешевы и со временем придут на замену материалам, которые в природе исчерпываются.
В связи с этим в настоящей работе проведены комплексные исследования силовых и энергетических параметров химических связей в кристаллах Cd, Zn, Sb, CdxZn1-xSb (0≤х≤1). Методами теории
упругости и динамики кристаллической решетки определены особенности формирования химической связи кадмия. Наличие различных межатомных расстояний, определяющих кристаллическую
структуру Cd, его физико-химические свойства, полиморфные превращения и фазовые переходы,
приводит к выводу о том, что образование плотной гексагональной структуры этого элемента осуществляется перекрытием вешних сферических s-оболочек, стабилизируемых d-орбиталями.
Корректный учет всех перечисленных факторов проводился путем решения обратной задачи:
по экспериментальным данным параметров решетки и наименьших межатомных расстояний проведены расчеты координат атомов элементарной ячейки кадмия. Эти результаты позволили установить
наличие пяти различных межатомных расстояний и предположить, что взаимодействия между атомами кадмия будут неэквивалентны и подразделяются согласно межатомным расстояниям на пять
групп:
φ1(R1=2.979 Å); φ2(R2=2.9843 Å); φ3(R3=2.9899 Å); φ4(R4=3.3917 Å); φ5(R5=3.6912 Å).
Наличие этой информации позволило провести исследования силовых и энергетических характеристик кадмия и оценить численные значения характеристических температур неэквивалентных химических связей, соответствующих различным межатомным расстояниям. Аналогичные исследования
проведены для кристаллов Zn и Sb, CdSb, ZnSb и твердых растворов системы CdSb—ZnSb [2—4].
В качестве иллюстрации применения математических моделей для решения технологических
задач в таблице приведены результаты расчетов температур колебательного плавления, полученных с
использованием характеристических частот отдельных химических связей.
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 223 –
МНПК «Современные информационные и электронные технологии»
Материалы
Температура колебательного плавления отдельных химических связей
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
T10
Cd
594
521.8
416
378
353
—
—
—
—
—
Zn
692.5
617.3
523.4
485.5
473
—
—
—
—
—
Sbгекс.
903
767
684
660
603
501.4
474.2
415.6
388.9
—
CdSb
732.1
728.3
734.2
742.4
738.8
—
—
—
—
—
ZnSb
—
—
—
—
—
809.4
814.4
824.8
829.4
820.7
Cd0.4Zn0.6Sb
782.6
777
784.8
794.6
790.2
780.2
783.1
789.2
791.9
786.8
Приведенные в таблице значения Ti (1≤i≤10) обозначают характеристические температуры отдельных химических связей, соответствующих различным межатомным расстояниям.
Установлено, что формирование химических связей твердых растворов CdSb—ZnSb в подрешетках CdSb и ZnSb происходит по-разному: связи Cd—Sb кристаллизуются с перегревом, а связи
Zn—Sb — с переохлаждением. При разработке технологических режимов получения новых материалов необходимо учитывать тонкую структуру процессов плавления и кристаллизации твердых растворов; условия плавления стабильных и метастабильных фаз, дефектных структур путем расчета
исходных концентраций, температурных интервалов перегрева и переохлаждения.
На основании полученных результатов предложен способ получения новых материалов оптоэлектроники и объемных микро- и наноструктур на основе полупроводниковых соединений группы
А2В5, а также монокристаллов Cd, Zn, Sb высокой степени совершенства [5—8].
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Ащеулов А.А., Маник О.Н., Маник Т.О., Маренкин С.Ф., Билинский-Слотыло В.Р. Особенности химической связи в кадмии // Неорганические материалы.– 2011.– Т. 47, № 9.– С. 1052–1056.
2. Ащеулов А.А., Гуцул И.В., Маник О.Н. и др. Особенности формирования химической связи кристаллов цинка // Журнал неорганической химии.– 2012.– Т. 57, № 4.– С. 601–606.
3. Ащеулов А.А., Маник О.Н., Маник Т.О., Билинский-Слотыло В.Р. Особенности химической связи
сурьмы. Технологические аспекты // Технология и конструирование в электронной аппаратуре.– 2011.– № 4
(92).– С. 39–42.
4. Ащеулов А.А., Гуцул И.В., Маник О.Н. и др. Химическая связь в низкосимметричных кристаллах
CdSb, ZnSb, CdхZn1-хSb и особенности их технологии // Неорганические материалы.– 2010.– Т.46, № 6.– С. 649–
655.
5. Патент №50923, Україна. Процес створення об'ємних мікро-та наноструктур на основі низькосиметричних кристалів напівпровідникових сполук групи АIIВV / Ащеулов А.А., Маник О.М., Маник Т.О.– 2010.–
Бюл. №12.
6. Патент №62627, Україна. Процес отримання монокристалів кадмію / Ащеулов А.А., Маник О.М., Маник Т.О., Білинський-Слотило В.Р.– 2011.– Бюл. №17.
7. Патент №62629, Україна. Процес отримання монокристалів цинку / Ащеулов А.А., Маник О.М., Маник Т.О., Білинський-Слотило В.Р., Гуцул І.В. – 2011.– Бюл. № 17.
8. Патент №67457, Україна. Процес отримання сурми / Ащеулов А.А., Маник О.М., Маник Т.О.,
Білинський-Слотило В.Р.– 2012.– Бюл. № 4.
___________
A. A. Ashcheulov, O. N. Manyk, T. O. Manyk, V. R. Bilynskiy-Slotylo.
Chemical bond and technological features of Cd, Zn, Sb based materials
Force and energy parameters of the chemical bonds of Cd, Zn, Sb based crystals, cadmium and zinc antimonide crystals and solid solutions based on them has been investigated by methods of statistical physics,
the theory of elasticity and crystal lattice dynamics.
Кeywords: mathematical models, chemical bond, force coefficients, characteristic temperatures.
Одесса, 27 — 31 мая 2013 г.
– 224 –