Исследование условий получения пленок твердых растворов Pb1–xSnxSe методом ионообменного синтеза

Abstract

Настоящая работа представляет собой комплексное исследование условий синтеза пленок твердых растворов Pb1–xSnxSe методом ионообменного замещения на межфазной границе «PbSeтв – водный раствор соли SnCl2». Целью работы являлось изучение физико-химических закономерностей получения пленок Pb1–xSnxSe методом ионообменного синтеза, установление взаимосвязей между условиями их синтеза, составом, структурой и свойствами. Основные использованные методы исследования: термодинамические расчеты, рентгеновская дифракция, растровая электронная микроскопия с рентгеноспектральным электронным микрозондовым анализом, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с послойным ионным травлением, оптическая интерферометрия, измерение фотоэлектриче-ских параметров пленок на специальной установке. В результате исследований впервые продемонстрирована возможность получения пленок твердых растворов замещения в халькогенидных системах методом ионного обме-на на межфазной границе халькогенида металла с водным раствором ионов другого ме-талла. Методом ионного обмена в системе «PbSeтв – водный раствор соли SnCl2» впервые сформированы пленки твердых растворов Pb1–xSnxSe. Выполнена оценка термодинамиче-ской вероятности ионообменного процесса с учетом побочных реакций комплексообразо-вания в контактирующем водном растворе в присутствии широкого круга комплексантов (ацетат-, цитрат-, тартрат-, нитрат-, хлорид-ионы и ЭДТА). Изучены состав, структура, морфология и свойства слоев PbSe, модифицированных соединениями олова в двух реак-ционных системах – ацетатной и цитратной. Определен коэффициент диффузии олова в тонкой пленке PbSe, составивший при 368 K (4,8 + 0,5)×10–16 см2/с. Сформулированы об-щие физико-химические закономерности ионного обмена на межфазной границе «PbSeтв – водный раствор соли олова(II)». Предложена оригинальная гипотеза о существовании широкой внутрикристаллитной реакционной зоны, где за счет ионообменной топохимической реакции происходит формирование твердых растворов замещения, что расширяет представления об ионообменных топохимических процессах в твердых телах. По результатам и в рамках выполненных исследований была защищена кандидат-ская диссертация на тему «Физико-химические закономерности получения плёнок твёр-дых растворов Pb1–xSnxSe методом ионообменного синтеза». Автореферат диссертации прилагается.

The present work is a comprehensive research into the conditions of synthesis of Pb1–xSnxSe thin-film solid solutions by means of ion-exchange substitution at the “PbSes – SnCl2 aqueous solution” interface. The aim of the present study was to investigate physicochemical regularities of ion-exchange synthesis of Pb1–xSnxSe films, to establish a relationship between the conditions of their formation, composition, structure, and properties. The techniques of investigations included thermodynamic calculations, X-ray diffraction, scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray analysis, X-ray photoelectron spec-troscopy with layer-by-layer ion etching, optical interferometry, and measurements of photoelec-tric parameters on a tailor-made setup. The results of investigations were the following. For the first time, a possibility of for-mation of films of substitutional solid solutions in chalcogenide systems by ion exchange at the interface between chalcogenide of a certain metal and a water solution of another metal was demonstrated. For the first time, films of Pb1–xSnxSe solid solutions were formed by ion-exchange technique in the system “PbSes – SnCl2 aqueous solution”. A thermodynamic probabil-ity of an ion-exchange process with allowance for by-reactions in a contacting water solution containing various complexing agents (acetate, citrate, tartrate, nitrate, or chloride ions, or EDTA) was estimated. The composition, structure, morphology and photoelectric properties of PbSe layers modified with tin compounds in two different reaction systems (containing acetate and citrate ions) were studied. The tin diffusion coefficient in a PbSe thin film was determined and was (4,8 + 0,5)×10–16 cm2/s at 368 K. The general physicochemical regularities of ion-exchange at the “PbSes – tin(II) salt aqueous solution” interface were summarized. An original hypothesis that a relatively wide intracrystalline reaction zone, in which substitutional solid solu-tions form, exists during an ion-exchange topochemical reaction was put forward, which increas-es our knowledge on ion-exchange topochemical processes in solids. On the basis on the results of the investigations a candidate’s dissertation was defended. The dissertation abstract is appended.