Введение к работе
Актуальность теш. Смешанный электронно-ЕОШШй перенос проявляется в различной степени во многих практически важных физико-химических процессах с' участием твердофазных систем. Ряд технических и эксплуатационных характеристик материалов - электропроводность, стабильность параметров, ресурс работы и т.п., во многом определяется переносом заряда и массы, как в объеме материала, так и на границе с газовой фазо*.
В связи с интенсивными исследованиями твердых электролитов и их практическом использовании в электрохимических приборах (источники тока, конденсаторы, датчики, преобразователи) электронно-ионные проводники нашли применение как эффективные электродные материалы. При этом особый интерес представляют, так называемые, су-перионные соединения <фазы), обладающие аномально высокой для твердых тел (Л См/см) ионной проводимостью.
На основе смешанных проводников в последнее время разребаты-ваготся различные функциональные устройства, работающие на принципат электроники и ионики твердого тэла.
Можно выделить ряд, нерешенных в настоящее время, каучнах проблем, связанных с суперионной и смешанной проводншетьв:
'физико-химическая природа супэрионного состояния твердого тела; . '
создание теории элелтронно-ионных кинетических эффектов в различных полях; # -
- разработка методов описания электронного энергетического
спектра в соединениях с частично разупорядочензой и бысохоподвиж-
ной подрешеткой; -
-проблема контроля нестехиометрии и влияния состава на свойства с учетом специфики объектов и повышенных температур;
-особенности массообмека на границе с газовой фазой и влияние на объемные термодинамические и транспортные свойства.
В настоящее время установлено, что практически все полупроводниковые соединения имеют более или мешв_ протяквняые области гомогенности, обуславливающие зависимости состав-свойство. Суперионные халькогегшды-(CUg^X, А^+(5Х'-и.твердые растворы на их основе), обладающие смешанной катионно-электронно-дырочной проводимостью, з этом'""шгане представляются уникальными -молельными системами, пос-воляшими измерять различные «физические свойства при одновременном контроле и требуемом изменении состава эвектрохимичес-
кнми методами. Наличие широких областей гомогенности в этих фазах, позволяет получить качественно новую информацию с одной стороны об объемных полупроводниковых свойствах , с другой стороны о процессах на границе твердое тело-газ.
В отличие от соединений с жесткой кристаллической решеткой и узкой областью гомогенности,для которых объем кристалла отделен от газовой фазы слоем адсорбции и/или поверхностной фазы, суперионные соединения, взаимодействуют с газовой фазой практически всем объемом. При этом длительное время может сохраняться однофазность образца. Поэтому изучение взаимосвязи объемных и поверхностных кинетических процессов, имеющее важное мотодологическое и технологическое значения, на этих объектах представляется наиболее актуальным. Кроме того, на основе этих данных возможно улучшение рабочих характеристик некоторых, используемых в технике (термо- и фотоэлектрические преобразователи энергии) халькогенидов меди и серебра.
В настоящее время специфика поверхностных процессов, обусловленная оупериошюй смешанной проводимостью и широкой областью гомогенности фазы практически не изучена. Ряд известных эмпирических данных не получили достаточно глубокого физико-химического объяснения.
Цель к аадача исследования. Экспериментальное и теоретическое исследование особенностей электронно-ионных "кинетических эффектов, обусловленных отклонением от стехиометрии в суперионных фазах системы Cu?_i>X-Ag?+(5X и установление взаимосвязи между объемными и поверхностными свойствами.
При этом решались следующие конкретные задачи:
1. Разработка конструкции и создание высокотемпературной ва
куумной установки, позволяющей измерять одновременно на одном об
разце различные термо-галъваномагнитные эффекты в зависимости от
степени ностехиометрии и температуры, а также измерять скорость
испарения летучего компонента в контролируемой атмосфере.
2. Экспериментальное и . теоретическое исследование влияния
варьирования состава-в пределах области гомогенности на электрон
ную и ионную проводимости, диффузию, эффект Холла и другие кинети
ческие .эффекты в суперяошшх фазах халькогенидов системы
Cu2_i>x-iig2+j5X,- где X « S.Se.Te.
3. исследование изменения термодинамических, электрических и упругих свойств при суперионном фазовом переходе в халькогенидах меди и серебра с различной' степенью нестехиометрии.
-
Построение феноменологических теорий смешанной проводимости, аффекта Холла и амбиполярной химической диффузии .в квтионно-электронно-дкрочных проводниках.
-
Исследование особенностей зонной структуры нестехиометри-ческих супериошшх полупроводниковых халькогенидов на основе дан-ннх методов ЭДС электрохимических ячеек и электронных кинетических свойств.
-
Экспериментальное исследование скорости испарения халько-гена из супэрионных халькогенидов в условиях изменения состава в области гомогенности и влияния внешних факторов (температура, постоянное магнитное поло).
-
Экспериментальное исследование молекулярного состава поверхности супэрионных халькогенидов, построение молекулярно-кинетической модели взаимодействия объема с паро-газовой фазой.
Научная новизна. При исследовании, термодинамики суперионного перохода и кинетических свойств суперионных фаз халькогенидов меди, серебра и их твердых растворов получен ряд новых зависимостей и эффектов, связанных с отклонением от стехиометрии:
смена знака энтальпии и энтропии суперионного фазового перехода при изменении степени нестехиометрии образца;
показано, что применение статистического метода расчета конфигурационной энтропии суперионного перехода на основе известных структурных моделей дэет сильно завышенный, по сравнению с экспериментом, результат. Сделан вывод о корреляции при заполнении кристаллографических позиций атомами (ионами) подвижной подрешетки и блокировании при этом незанятых позиций;
по данным температурных зависимостей упругих модулей сделан вывод о сохранении сил межатомного взаимодействия при суперионном переходе. Скачок ионной проводимости обусловлен повышением симметрии кристаллической решетки;-
установлена коррелятивная зависимость величины ионной проводимости от величины параметра кристаллической решетки. Показано, что в предложении постоянства произведения <т>Е0, где <т> - сред -аее время пробега иона, Е0- внутреннее электрическое поле, эта зависимость соответствует модели квазисвободных ионов;
в рамках модели квазисвободных ионов получено точное аналитическое решение для напряжения Холла в образце, твердого электролита и электронно-ионного проводника стандартной.формы. При учете дрейфового, диффузионного и лорвщового потоков величина коэффициента Холла зависит от параметров эксперимента (температура; индук-
"5
пня магнитного поля и др.);
на основе совместного решения электродиффузионных уравнений и уравнения Пуассона получено распределэние потенциала внешнего электрического поля в стационарно поляризованном образце электронно-ионного проводника. Найдены значения параметров проводника при' которых происходит смена знака градиента потенциала;
теоретически исследовано распределение концентрации подвижных ионов вдоль стационарно поляризованного электронно-ионного проводника. Исследованы условия формирования концентрационного пика, вблизи потенциального электрода;
на основе теории сильно легированных полупроводников и полученных экспериментальных данных, построена качественная модель зонной структуры суперионных фаз типа (Си., ^.^Ag^ )2Х, позволившая объяснить ряд, наблюдаемых экспериментально электронных эффектов (концентрационный р-п переход, переход металл-полупроводник, аномалии Холл-фактора и др.);
с применением метода сверхвысоких давлений установлено два типа примесных уровней, соответствующих октаэдрической и тетраэд-рической координации дефектов стехиометрии в А^_6Те.
При исследовании поверхностных процессов и массообмена на границе супэрионный халькогенид-газ (вакуум):
- развита феноменологическая теория испарения фаз леременного
состава в вакуум, устанавливающая связь мевду максимально возмож
ной величиной потока испарения халькогена и электронно-ионной про
водимостью суперионного халькогенида;
експериментально установлен и исследован эффект влияния внешнего постоянного однородного магнитного поля на скорость испарения халькогена (эффект магнитоиспарения);
проанализированы возможные механизмы эффекта. В качестве доминирующего рассматривается 'механизм интеркомбинационных S-Т-переходов в спиновой системе;
предложена качественная микроскопическая модель поверхност- . янт процессов, согласующаяся -с данными проведенных экспериментальных исследований (Ояа-слектроскопия, магнитная восприимчивость и др.) и с известными литературными данными;
экспериментально установлен эффект стимулирования испарения селена сушрионным фазовым переходом в Ag^^Se.
Баучная и практическая значимость работы. Получен ряд новых экспериментальных зависимостей и эффектов, дающих вклад в развитие фундаментальных исследований транспортных свойств суперионных ма-
териалов переменного состава со смешанной электронно-ионной проводимостью. Разработана теория стационарно поляризованного смешанного проводника, теория электронно-ионного эффекта Холла.
Методологическое значение работы заключается в установлении взаимосвязи меяду объёмными свойствами и процессами на границе с газом. Впервые,измеренный и исследованный в работе,эффект магнито-испарения, в принципе, монет использоваться как инструмент для исследования спиновой системы. В отличие от парамагнитного резонанса ато!' аіфнкт чувствителен только к поверхности кристалла.
Результаты работы использовались в монографии: Чеботин В.Н. "Химическая диффузия в твердых телах", Наука, 1ЭЭЭ, а такие в статьях различных авторов.
Часть результатов использовалась при создании опытного образца сенсора на S02, проходящего испытания на Челябинском электролитном цинковом заводе. Получен соответствуиций акт, прилагаемый к диссертации.
Некоторые результаты могут использоваться для улучшения рабочих параметров селенида меди, используемого в термоэлектрических преобразователях энергии среднетемпературного диапазона.
Работа выполнялась в соответствии с координашонянкя планами Академии Наук.
Автор защащаа'е:
- особенности термодинамических, кинетических и упругих
свойств халькогенидов системы Cu^^X-Ag^X, обусловленные супер-
ионным фазовым переходом и степень» нествхиометрии, которые позво
ляют углубить физико-химические представления о-природе суперион-
ного состояния и явлениях переноса в смешанных электронно-ионных
проводниках;
теорию поляризации, диффузии и эффекта Холла в суперионных проводниках со смешанной проводимостью.
результаты экспаримейтальных исследований по влиянию степени нестехиометрии на кинетические и зонные параметры супэриснных полупроводников системы ftu^yX-Ag^X;
Феноменологическую теорию испарения ^ суперионных Фаз типа Me2+(jX, устанавливавшую связь макду потоком халькогенв и электронно-ионной проводимостью фазы;'
физико-химическую модель поверхностных процессов на границе раздела супериоквыя халъкогвнид-вэкуум;
аффект влияния внешнего постоянного однородного магнитного поля на скорость испарения халькогенв я его механизм.
Адробадая работа. Результаты работы докладывались на: VIII и Х'Всезовзных совещаниях по кинетике и механизмам химических реакций в твердом теле (Черноголовка, 1982, 1989 гг.), III Всесоюзном совещании по химии твердого тела (Свердловск, 1981 г.), V и VII Всесовзнах конференциях по строении и свойствам металлических и шлаковых расплавов (Свердловск, Челябинск, 1983, 1990 гг.), Всесоюзная конференция по физико-химическим основам легирования полупроводников (Москва, 1982 г.), VIII, IX и X Всесоюзные конференции по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов (Ленинград, Свердловск, Екатеринбург, 1983,1987,1992 гг.), VI Всесоюзная конференция по химии, физике и техническому применению халькогенидов (Тбилиси, 1983г.), II Всесоюзный симпозиум по твердым электролитам и их аналитическому применению (Свердловск, 1985 г.). Всесоюзные совещания по химической связи, электронной структуре и физико-химическим свойствам полупроводников (Калинин, Москва, 1985, 1988 гг.), III Всесоюзная конференция по термодинамике и материаловедению полупроводников, III Всесоюзное совещание по химии и технологии халькогенов и хэлькогекидов (Караганда, 1988 г.), VII Всесоюзное -совещание по физико-химическому анализу (Фрунзе, 1988 г.), III Всесоюзное совещание по химии высоких давлений (Москва, 1990 г.), Всесоюзішй деминар по свойствам и применению дисперсных материалов (Челябинск, 1991 г.), XIII International conference on High Pressure Science and Technology (Bangalore, India, 1991), XI Всесоюзная конференция по" поверхностным явлениям в расплавах и технологиях новых материалов (Киев, 1991 г.), International conference on Solid State Devices and Materials (Yokohama, Japan, .1991 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 49 работ, получено 2 авторских свидетельства на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи глав,объединенных в две части, заключения, списка литературы из ЗГЭ наименований и приложения. Она изложена на 303 страницах; включая 69 рисунков, 12 таблиц.
