XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время изучены системы Pt-Bi-Te и Pd-Bi-Te, соединения в которых обладают уникальными физическими, химическими и структурными свойствами, которые размещают эти соединения на стыке химии, минералогии, физики твердого тела и материаловедения. Данные системы являются важными геологическими системами, что вызывает интерес к их изучению как физиков, так и геологов. Фаза Bi₂Te₃ является топологическим изолятором, свойство которого хорошо изучены [1]. Однако эта фаза вызывает интерес для изучения при добавлении третьего компонента, так как он будет вызывать изменение свойств системы. В связи с чем, целью нашего исследования стало изучение фазовых отношений в системе Ni-Bi-Te методом рентгеноспектрального микроанализа при температурах 450 и 550 .

ПОЛУЧЕНИЕ ФАЗОВЫХ АССОЦИАЦИЙ

Методы получения кристаллов делятся на два типа: конгруэнтные и инконгруэнтные. При конгруэнтном плавлении состав кристаллического вещества совпадает с составом исходной жидкости, при инконгруэнтном – образуется жидкость другого состава и твердую фазу состава, отличающегося от исходного. Основными инконгруэнтными методами получения кристаллов являются метод газового транспорта [2], гидротермальный синтез [3] и кристаллизация из раствора в расплаве [4]. Главным достоинством данных методов является: возможность получения кристаллов, не находящихся в равновесии с собственным расплавом; возможность проводить синтез при более низких температурах, чем температура плавления.

Синтез проводился методом сухого синтеза из простых веществ в вакуумированных (~10^-4 бар) ампулах из кварцевого стекла [5]. Чистота исходных веществ (никель, висмут, теллур) составляла не менее 99,9 масс.%.Масса шихты в среднем составляла 0,5 г. Чистые вещества тщательно взвешивались на аналитических весах, закладывались в ампулы из кварцевого стекла (внутренний диаметр ~6 мм., длина ~10 см., толщина стенки ~1 мм.). Затем вакуумировались и запаивались в пламени кислородной горелки. Запаянные ампулы с шихтой обжигались в горизонтальных трубчатых печах сопротивления. Во время проведения эксперимента ампулы однократно извлекались из печей, перетирались в ступках. Синтез проводился от 3 до 24 месяцев. Готовые образцы доставались из печи, закаливаясь на воздухе, либо подвергаясь резкому охлаждению в холодной воде. После чего образцы подготавливались к исследованию, помещаясь в шашки из эпоксидной смолы.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ ФАЗОВЫХ АССОЦИАЦИЙ

Готовые фазовые ассоциации исследовались метом локального рентгеноспектрального микроанализа (электронный микроскоп TESCAN Vega II XMU, ИЭМ РАН, г. Черноголовка, оператор А.Н. Некрасов).

При температуре 550°С устойчивы следующие фазы: Bi­₂Te₃, Bi­₄Te₅, BiNi, NiTe_2-x, NiTe_0.775, , расплав теллура с растворенным висмутом (от 73 ат.%), расплав теллура с растворенным никелем (8 ат.%), расплав висмута с растворенным никелем (15 ат.%). С участием этих фаз формируются равновесные ассоциации, среди которых шесть являются трехфазными и семь – двухфазными, по данным проведенного эксперимента.

При температуре 450°С устойчивы следующие фазы: BiTe, Bi₂Te₃, Bi₄Te₅, Bi₆Te₇, NiBi, ­NiBi₃, NiTe_2-x, NiTe_0.775, , расплав теллура с растворенным висмутом (от 86 ат.%). С участием этих фаз формируются равновесные ассоциации, среди которых семь являются трехфазными, девять – двухфазными, по данным проведенного эксперимента.

На построенной фазовой диаграмме отмечена фаза NiTe_2-x с широкой областью гомогенности, границы которой установились экспериментальным путем.

Также был получен образец с чередованием нескольких фаз, предположительно установлено наличие двух фаз (рисунок 1). В дальнейшем планируется повторить методику данного эксперимента, исследовать физико-химические свойства на наличие различных эффектов на границах раздела фаз.

Рисунок 1. Электронная фотография участка образца в режиме вторичных электронов. Электронный микроскоп TESCAN Vega II XMU, ИЭМ РАН, г. Черноголовка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенной работы были изучены фазовые отношения в системе NI-Bi-Te и составлены изотермические сечения трехкомпонентной диаграммы при температурах 450°С и 550°С. Были сделаны следующие выводы: изменение в фазовых диаграммах при различных температурах вызваны в первую очередь тем, что при понижении температуры изменяется область нахождения расплава висмута в элементах, а также из-за исчезновения фазы NiBi₃; в теллуридах висмута не растворяется никель с точностью до 0,5%, что соответствует точности определения электронного микроскопа; область гомогенности фазы NiTe_2-x, очерчена обширная область гомогенности твердого раствора на основе фазы NiTe₂ при исследуемых 450°С и 550°С, границы которой установились экспериментальным путем.

В дальнейшем планируется провести рентгенофазовый анализ для получения данных о размере частиц и структуре кристаллической решетки.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

[1] Yazyev O. V., Moore J. E., and Louie S. G. Spin polarization and transport of surface states in the topological insulators Bi₂Se₃ and Bi₂Te₃ from first principles // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. P. 266806.

[2] Harald Schafer, Chemische Transportreaktionen, Verlag Chemie, MnbH, Weinhelm/bergstr, 1962.

[3] Штернберг А.А. Управление процессом выращивания кристаллов в автоклавах — В кн.: Исследование процессов кристаллизации в гидротермальных условиях. М: Наука, 1970, с.199-211

[4] Тимофеева, В. А. (1978). Рост кристаллов из растворов-расплавов. Наука.

[5] Воган Д., Крейг Дж. Химия сульфидных минералов/под ред. И.Я. Некрасова. M.: «МИР», 1981. — 565 с.