ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТА Tb НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА (Bi2Sb5Se3Te6J3) n-ТИПА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

72

AZ9RBAYCAN KIMYA JURNALI № 4 2014

УДК 546.87863 232445

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТА Tb НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО

РАСТВОРА (BiiSbsSesTeeJs) я-ТИПА

12 3

Ф.И.Исмаилов , И.И.Алиев , С.И.Тагиев

1 Институт физики им. Г.Б.Абдуллаева Национальной АН Азербайджана 2Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф.Нагиева Национальной АН

Азербайджана 3Азербайджанский технический университет

[email protected]

Поступила в редакцию 30.06.2014

Методами физико-химического анализа (ДТА, РФА, МСА), а также измерением микротвердости и плотности исследовано влияние содержания тербия на физико-химические свойства твердого раствора (Bi2Sb5Se3Te6J3) «-типа и построена микродиаграмма. Установлено, что в системе (Bi2Sb5Se3Te6J3)1_x(Tb)x при комнатной температуре на основе (Bi2Sb5Se3Te6J3) растворяется 5 мол.% Tb. В системе образуется эвтектика, состав которой отвечает 15 ат.% Tb, температуры плавления - 5000С.

Ключевые слова: микротвердость, термоэлектрик, твердый раствор, эвтектика.

Известно, что Bi2Te3, Sb2Te3 и твердые растворы на их основе используются в качестве материалов для р-типа термоэлектрических охладителей [1-4]. При введении SbJ3 в состав (Bi2Te3Sb2Te3Sb2Se3) твердый раствор р-типа термоэлектрического материала изменяет свой состав и становится «-типом проводимости.

Недостатком этих материалов является то, что они слоисты и легко измельчаются. Для увеличения прочности твердого раствора (Bi2Sb5Se3Te6J3) и-типа нами был добавлен элементарный Tb до 20 мол.%.

В настоящей статье мы представляем условия синтеза и результаты исследования некоторых физико-химических свойств твердых растворов (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x, а также изучения влияния Tb на свойства твердых растворов и-типа. Ранее мы изучали влияние РЗЭ на физические и химические свойства твердого раствора (Bi2Sb5Se3Te6J3) и-типа [5-8]. Система (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x не была исследована.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для синтеза сплавов твердых растворов системы (B^S^Se^eJ^^Tb)*; (;=0.03, 0.04, 0.25) вначале был синтезирован сплав состава (Bi2Sb5Se3Te6J3). Далее сплавы системы синтезировали из компонентов (Bi2Sb5Se3Te6J3) и Tb в вакуумированных до 0.1333 Па кварцевых ампулах при 700-1100С.

Чтобы получить равновесное состояние гомогенизированных сплавов, образцы подвергали отжигу в вакуумированных кварцевых ампулах при температуре на 200C ниже со-лидуса в течение 420 ч. Исследование системы (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x проводили дифференциально-термическим (ДТА), микроструктурным (МСА), рентгенофазовым (РФА) методами анализа, а также измерением микротвердости и определением плотности.

ДТА осуществляли на микротермоанализаторе DTG-60/60H SHIMADZU в температурном интервале 25-10000C со скоростью нагрева 15 град/мин. В качестве стандарта использовали оксид алюминия.

РФА образцов проводили на дифрактометре D2 PHASER (Си^-излучение, Ni-фильтр). Идентификацию дифракционных максимумов осуществляли с использованием банка данных JCPDS.

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТА Tb НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

73

МСА сплавов предварительно протравленных шлифов, полированных пастой ГОИ, выполняли на металлографическом микроскопе МИМ-8. При исследовании микроструктуры сплавов использовали травитель состава 15 мл HNO3:5 мл Н2О2, время травления - 20 с.

Микротвердость сплавов измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках 0.10 и 0.25 Н. Плотность сплавов определяли пикнометрическим методом, в качестве рабочей жидкости использовали толуол.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сплавы системы (Bi2Sb5Se3Te6J3)i_x(Tb)x были получены в виде компактных слитков серебристо-серого цвета. Сплавы устойчивы к воздуху, воде и органическим растворителям, но сильные минеральные кислоты (HNO3, H2SO4) интенсивно разлагают их.

ДТА показал, что в термограммах сплавов проявляются по два эндотермических эффекта. Установлено, что эти фиксированные эффекты на кривых нагревания и охлаждения - обратимы.

МСА сплавов системы (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x показал, что в диапазоне концентраций 0-5 ат. % Tb сплавы имеют однофазную область, а сплавы других составов - двухфазные. Эвтектика образуется при температуре 3600C и отвечает составу из 10 ат. % Tb .

Для подтверждения результатов ДТА и МСА сплавов системы проводили РФА. Рентгеновский анализ сплавов (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x показал, что дифракционные линии сплавов для концентраций Tb в диапазоне 0-5 ат.% идентичны. С увеличением содержания Tb дифракционные линии сплавов соответствуют дифракционным линиям исходных компонентов.

Для литых образцов выявлен значительный разброс значений микротвердости, который после 250 ч отжига не изменялся. В таблице приведены некоторые физико-химические свойства сплавов системы (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x.

Результаты ДТА, измерения микротвердости и определения плотности сплавов системы (Bi2Sb3Se3Te6J3)1-x(Tb)x

Состав, мол. % Термические эффекты нагревания, 0C Плотность, г/см3 Микротвердость фаз, Mna

Bi2SbsSe3Te6J3 Tb I а II Tb

P=0.10 Н P=0.20 Н

100 0.0 580 7.80 950 -

99 1.0 580 7.80 980

98 2.0 550.575 7.82 990 -

96 4.0 535.570 7.82 1000 -

95 5.0 525.565 7.87 1180 -

94 6.0 510.560 7.79 1180 -

90 10 500.540 7.75 1170 -

88 12 500.525 7.75 - -

85 15 500 7.74 эвтектика эвтектика

83 17 500.600 7.73 - 2350

80 20 500.600 7.73 - 2350

78 22 500.690 7.71 - 2350

75 25 500.750 7.70 - 2350

При определении микротвердости сплавов системы (Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x наблюдались две серии значений. Как видно из таблицы, микротвердость а-твердых растворов на основе (Bi2Sb5Se3Te6J3) изменяется в пределах (950-1180) МПа, а для ТО она равна 2350 МПа.

74

Ф.И.ИСМАИЛОВ и др.

На основании полученных результатов построили фазовую диаграмму системы (Б128Ь58езТеб1з)1-х(ТЬ)х (рисунок).

t,0c 800

700 -

600

500

400

300

200 h

Bi2Sb3Se3Te6J3 5 10 at.% Tb

Рис.1. Микродиаграмма системы (Bi2Sb3Se3Te6J3)1-x(Tb)x.

15 20

25

Ликвидус системы состоит из двух ветвей, соответствующих первичному выделению а-твердых растворов на основе (Bi2Sb5Se3Te6J3) и Tb. Ниже линии солидуса кристаллизуются двухфазные смеси (а + Tb).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. М.: Наука, 1967. 258 с.

2. Goldsvid H.I. Thermoelectric refrigeration. N.Y.1964. 230 p.

3. Гольцман Б.Н., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3. М.: Наука, 1972. 320 с.

4. Абрикосов Н.Х., Агеев Ю.И., Иванова Л.Д. и др. // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1979. Т. 15. № 11. С. 1381-1385.

5. Исмаилов Ф.И., Алиев И.И., Алиев А.А. // Хим. проблемы. 2006. № 4. С. 425-427.

6. Исмаилов Ф.И., Алиев И.И. // XVII Междунар. конф. "Физика прочности и пластичности материалов". Самара. 23-25 июня 2009. С. 115.

7. Ismailov F.I., Aliyev I.I., Musayeva N.N. // International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering Proceedings. P. 324-326. 7-9 July 2011. North Cyprus, Lefkosa Near East University.

8. Ismailov F.I., Aliyev I.I., Sadiqov F.M. va b. // Azarb. kimya jurnali. 2008. № 1. S. 67-68.

(Bi2Sb5Se3Te6J3 ) я-TlP B3RK M3HLULUNUN f1z1k1-K1MY3V1 XASS3L3R1N3 Tb

elementInIn TeslRl

F.l.lsmayilov1, 1.1.3liyev2, S.l.Tagiyev

Fiziki-kimyavi analiz metodlari (DTA, RFA, MQA, elaca da sixligin va mikrobarkliyin ölfülmasi) vasitasila (Bi2Sb5Se3Te6J3) «-tip bark mahlulunun fiziki-kimyavi xassalarina Tb elementinin tasiri öyranilmi§ va onun mikrodiaqrmi qurulmu§dur. Müayyan edilmi§dir ki, (Bi2Sb5Se3Te6J3)i_x(Tb)x sisteminda (Bi2Sb5Se3Te6J3) asasinda 5 mol % Tb hall olur. Sistemda amala galan evtektikanin tarkibi 15 at % Tb, arimasi isa 5000C-dir.

Agar sözlsr: mikrobdrklik, termoelektrik, bdrk mdhlul, evtektika.

B^H^HHE Э.ПЕМЕHТA Tb HA OH3HKO-XHMHHECKHE CBOHCTBA

75

INFLUENCE OF THE ELEMENT Tb ON THE PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF SOLID

SOLUTION (Bi2Sb5Se3Te6J3) OF «-TYPE

F.I.Ismayilov, I.I.Aliyev, S.I.Tagiyev

By the methods of physicochemical analysis (DTA, XRD, MSA), as well as the density and microhard-ness measurements the effect of terbium content on the physicochemical properties of solid solution (Bi2Sb5Se3Te6J3) «-type has been studied and microchart built. It has been established that in the system ((Bi2Sb5Se3Te6J3)1-x(Tb)x at room temperature on the basis of (Bi2Sb5Se3Te6J3) 5 mol. % Tb dissolves. The system forms an eutectic composition of which meets 15 at. % Tb, and melting point is 5000C.

Keywords: microhardness, thermoelectrics, solid solution, eutectic.

A3EPEAHfl^AHCKHH XHMHHECKHH ^YPHAH № 4 2014