Projekt lokacije za proizvodnjo občutljivih elementov fotorezistorjev na osnovi kadmijevega sulfida. Metoda za proizvodnjo kadmijevega sulfida z uporabo bakterij, ki reducirajo sulfate. Pasovna vrzel kadmijevega sulfida

(Kadmij) CD , kemični element 12 ( IIb ) skupina periodnega sistema. Atomsko število 48, relativna atomska masa 112,41. Naravni kadmij je sestavljen iz osmih stabilnih izotopov: 106 Cd (1,22 %), 108 Cd (0,88 %), 110 Cd (12,39 %), 111 Cd (12,75 %), 112 Cd (24,07 %), 113 Cd (12,26 %), 114 Cd (28,85 %) in 116 Cd (7,58 %). Oksidacijsko stanje je +2, redko +1.

Kadmij je leta 1817 odkril nemški kemik Friedrich Stromeyer (

Stromeyer Friedrich ) (17761835).

Pri preverjanju cinkovega oksida, ki ga proizvaja ena od tovarn Shenebek, so sumili, da vsebuje primesi arzena. Ko so zdravilo raztopili v kislini in spustili skozi raztopino vodikovega sulfida, se je pojavila rumena oborina, podobna arzenovim sulfidom, vendar je temeljitejši pregled pokazal, da tega elementa ni. Za končno ugotovitev so vzorec sumljivega cinkovega oksida in drugih cinkovih pripravkov (vključno s cinkovim karbonatom) iz iste tovarne poslali Friedrichu Stromeyerju, ki je bil od leta 1802 predsednik katedre za kemijo na univerzi v Göttingenu in položaj generalnega inšpektorja. hannoverskih lekarn.

Po žganju cinkovega karbonata je Strohmeyer dobil oksid, vendar ne bel, kot bi moral biti, ampak rumenkast. Predlagal je, da je obarvanost posledica primesi železa, vendar se je izkazalo, da železa ni. Stromeyer je v celoti analiziral cinkove pripravke in ugotovil, da je rumena barva posledica novega elementa. Ime je dobil po cinkovi rudi, v kateri so ga našli: grška beseda

kadmeia , "kadmijeva zemlja" starodavno ime za smithsonit ZnCO 3. Ta beseda po legendi izhaja iz imena feničanskega Kadma, ki naj bi bil prvi, ki je našel cinkov kamen in opazil njegovo sposobnost, da daje bakru (pri taljenju iz rude) zlato barvo. Enako ime je dobil junak starogrške mitologije: po eni od legend je Kadmos v težkem dvoboju premagal zmaja in na njegovem ozemlju zgradil trdnjavo Kadmej, okoli katere je nato zraslo mesto Tebe s sedmimi vrati.Razširjenost kadmija v naravi in ​​njegovo industrijsko pridobivanje. Vsebnost kadmija v zemeljski skorji je 1,6·10 5 %. Po razširjenosti je blizu antimonu (2 10 5 %) in dvakrat pogostejši kot živo srebro (8 10 6 %). Za kadmij je značilna migracija v vroči podzemni vodi skupaj s cinkom in drugimi kemičnimi elementi, ki so nagnjeni k tvorbi naravnih sulfidov. Koncentrira se v hidrotermalnih nahajališčih. Vulkanske kamnine vsebujejo do 0,2 mg kadmija na kg, med sedimentnimi kamninami so gline najbogatejše s kadmijem - do 0,3 mg / kg, v manjši meri - apnenci in peščenjaki (približno 0,03 mg / kg). Povprečna vsebnost kadmija v tleh je 0,06 mg/kg.

Kadmij ima svoj mineral greenockite

CdS, otavit CdCO 3, monteponit CdO . Vendar ne oblikujejo lastnih depozitov. Edini industrijsko pomemben vir kadmija so cinkove rude, kjer ga vsebujejo 0,015 %. Kadmij se kopiči tudi v galenitu (do 0,02%), halkopiritu (do 0,12%), piritu (do 0,02%), stanitu (do 0,2%). Skupni svetovni viri kadmija so ocenjeni na 20 milijonov ton, industrijski na 600 tisoč ton.Karakterizacija enostavne snovi in ​​industrijska proizvodnja kovinskega kadmija. Kadmij je srebrnkasta trdna snov z modrikastim sijajem na sveži površini, mehka, temprana, temprana kovina, dobro se valja v plošče, zlahka se polira. Tako kot kositer tudi kadmijeve palčke pokajo pri upogibanju. Tali se pri 321,1 °C, vre pri 766,5 °C, gostota je 8,65 g/cm 3, kar omogoča, da jo pripišemo težkim kovinam.

Kadmij je stabilen na suhem zraku. V vlažnem zraku hitro zatemni, pri segrevanju pa zlahka komunicira s kisikom, žveplom, fosforjem in halogeni. Kadmij ne reagira z vodikom, dušikom, ogljikom, silicijem in borom.

Hlapi kadmija medsebojno delujejo z vodno paro in sproščajo vodik. Kisline raztopijo kadmij in tvorijo soli te kovine. Kadmij reducira amonijev nitrat v koncentriranih raztopinah v amonijev nitrit. V vodni raztopini ga oksidirajo kationi nekaterih kovin, kot je baker (

II ) in železo (III ). Za razliko od cinka, kadmij ne deluje z alkalnimi raztopinami.

Glavni viri kadmija so vmesni produkti proizvodnje cinka. Kovinske oborine, pridobljene po čiščenju raztopin cinkovega sulfata z delovanjem cinkovega prahu, vsebujejo 2–12% kadmija. Frakcije, ki nastanejo pri destilacijski proizvodnji cinka, vsebujejo 0,7–1,1 % kadmija, frakcije, pridobljene med rektifikacijskim čiščenjem cinka, pa vsebujejo do 40 % kadmija. Kadmij se pridobiva tudi iz prahu talilnic svinca in bakra (vsebuje lahko do 5 % oziroma 0,5 % kadmija). Prah se običajno obdela s koncentrirano žveplovo kislino, nato pa se kadmijev sulfat izpira z vodo.

Kadmijevo gobo oborimo iz raztopin kadmijevega sulfata z delovanjem cinkovega prahu, nato jo raztopimo v žveplovi kislini in raztopino očistimo nečistoč z delovanjem cinkovega oksida ali natrijevega karbonata ter z metodami ionske izmenjave. Kovinski kadmij se izolira z elektrolizo na aluminijevih katodah ali z redukcijo cinka.

Za odstranitev cinka in svinca se kovinski kadmij stopi pod plastjo alkalije. Talino obdelamo z aluminijem, da odstranimo nikelj, in amonijevim kloridom, da odstranimo talij. Z dodatnimi metodami čiščenja je mogoče pridobiti kadmij z vsebnostjo nečistoč 10 5 mas.%.

Na leto se proizvede približno 20 tisoč ton kadmija. Obseg njegove proizvodnje je v veliki meri povezan z obsegom proizvodnje cinka.

Najpomembnejše področje uporabe kadmija je proizvodnja kemičnih virov toka. Kadmijeve elektrode se uporabljajo v baterijah in akumulatorjih. Negativne plošče nikelj-kadmijevih baterij so izdelane iz železnih mrež z gobastim kadmijem kot aktivnim sredstvom. Pozitivne plošče, prevlečene z nikljevim hidroksidom. Elektrolit je raztopina kalijevega hidroksida. Na osnovi kadmija in niklja so izdelane tudi kompaktne baterije za vodene rakete, le da v tem primeru kot osnova niso nameščene železne, ampak nikljeve mreže.

Procese, ki potekajo v nikelj-kadmijevi alkalni bateriji, je mogoče opisati s splošno enačbo:

Cd + 2NiO(OH) + 2H 2 O Cd(OH) 2 + 2Ni(OH) 2 Nikelj-kadmijeve alkalne baterije so zanesljivejše od svinčenih (kislinskih) baterij. Te tokovne vire odlikujejo visoke električne lastnosti, stabilno delovanje in dolga življenjska doba. Napolnijo se lahko v samo eni uri. Vendar pa nikelj-kadmijevih baterij ni mogoče ponovno napolniti, ne da bi jih prej popolnoma izpraznili (v tem pogledu so slabše od kovinskih hidridnih baterij).

Kadmij se pogosto uporablja za protikorozijske premaze na kovinah, zlasti v primerih njihovega stika z morsko vodo. Najpomembnejši deli ladij, letal, pa tudi različni izdelki, namenjeni delovanju v tropskem podnebju, so kadmirani. Prej so železo in druge kadmijeve kovine potopili v staljeni kadmij, zdaj pa se kadmijeva prevleka nanaša elektrolitsko.

Kadmijevi premazi imajo nekaj prednosti pred cinkovimi: bolj so odporni proti koroziji in jih je lažje narediti enakomerne in gladke. Visoka plastičnost takšnih premazov zagotavlja tesnost navojnih povezav. Poleg tega je kadmij za razliko od cinka stabilen v alkalnem okolju.

Vendar pa ima kadmij svoje težave. Ko kadmij elektrolitsko nanesemo na jekleni del, lahko vodik, ki ga vsebuje elektrolit, prodre v kovino. Povzroča tako imenovano vodikovo krhkost v jeklih visoke trdnosti, kar povzroči nepričakovano odpoved kovine pod obremenitvijo. Da bi preprečili ta pojav, kadmijevim premazom dodajajo titan.

Poleg tega je kadmij strupen. Zato, čeprav se kadmijev kositer uporablja precej široko, ga je prepovedano uporabljati za izdelavo kuhinjskih pripomočkov in posod za hrano.

Približno ena desetina svetovne proizvodnje kadmija se porabi za proizvodnjo zlitin. Kadmijeve zlitine se uporabljajo predvsem kot antifrikcijski materiali in spajke. Zlitina, ki vsebuje 99 % kadmija in 1 % niklja, se uporablja za izdelavo ležajev, ki delujejo pri visokih temperaturah v avtomobilskih, letalskih in ladijskih motorjih. Ker kadmij ni dovolj odporen na kisline, vključno z organskimi kislinami, ki jih vsebujejo maziva, so včasih ležajne zlitine na osnovi kadmija prevlečene z indijem.

Legiranje bakra z majhnimi dodatki kadmija omogoča, da so žice na električnih transportnih linijah bolj odporne proti obrabi. Baker z dodatkom kadmija se skoraj ne razlikuje po električni prevodnosti od čistega bakra, vendar ga opazno prekaša po trdnosti in trdoti.

Kadmij je vključen v Woodovo zlitino z nizkim tališčem (Woodova kovina), ki vsebuje 50% bizmuta, 25% svinca, 12,5% kositra, 12,5% kadmija. Woodovo zlitino lahko talimo v vreli vodi. Zanimivo je, da je prvi črke komponent Woodove zlitine tvorijo kratico WAX Izumil ga je leta 1860 ne zelo znani angleški inženir B. Wood (

b. Les ). Pogosto se ta izum pomotoma pripisuje njegovemu soimenjaku, slavnemu ameriškemu fiziku Robert Williams Wood ki se je rodil šele osem let pozneje. Zlitine kadmija z nizkim tališčem se uporabljajo kot material za pridobivanje tankih in kompleksnih ulitkov, v avtomatskih sistemih za gašenje požara, za spajkanje stekla s kovino. Spajke, ki vsebujejo kadmij, so precej odporne na temperaturna nihanja.

Močan skok povpraševanja po kadmiju se je začel v štiridesetih letih prejšnjega stoletja in je bil povezan z uporabo kadmija v jedrski industriji, izkazalo se je, da absorbira nevtrone, in iz njega so začeli izdelovati krmilne in zasilne palice jedrskih reaktorjev. Sposobnost kadmija, da absorbira nevtrone strogo določenih energij, se uporablja pri preučevanju energijskih spektrov nevtronskih žarkov.

kadmijeve spojine. Kadmij tvori binarne spojine, soli in številne kompleksne spojine, vključno z organokovinskimi spojinami. V raztopinah so povezane molekule številnih soli, zlasti halogenidov. Raztopine imajo zaradi hidrolize rahlo kislo okolje. Pod delovanjem alkalijskih raztopin, začenši s pH 78, se bazične soli oborijo.

kadmijev oksid

CdO pridobljen z interakcijo enostavnih snovi ali s kalcinacijo kadmijevega hidroksida ali karbonata. Odvisno od "toplotne zgodovine" je lahko zelenkasto rumena, rjava, rdeča ali skoraj črna. To je deloma posledica velikosti delcev, v večji meri pa je posledica napak v kristalni mreži. Nad 900 °C je kadmijev oksid hlapen, pri 1570 °C pa popolnoma sublimira. Ima polprevodniške lastnosti.

Kadmijev oksid je zlahka topen v kislinah in slabo v alkalijah, zlahka se reducira z vodikom (pri 900 ° C), ogljikovim monoksidom (nad 350 ° C), ogljikom (nad 500 ° C).

Kot material za elektrode se uporablja kadmijev oksid. Je del mazalnih olj in polnila za proizvodnjo specialnih stekel. Kadmijev oksid katalizira številne reakcije hidrogeniranja in dehidrogeniranja.

kadmijev hidroksid

Cd(OH ) 2 se obori kot bela oborina iz vodnih raztopin kadmijevih soli ( II ) z dodajanjem alkalij. Pod delovanjem zelo koncentriranih alkalijskih raztopin se pretvori v hidroksokadmate, kot npr Na 2 [Cd (OH ) 4 ]. Kadmijev hidroksid reagira z amoniakom in tvori topne komplekse:Cd (OH) 2 + 6NH 3 H 2 O \u003d (OH) 2 + 6H 2 OPoleg tega kadmijev hidroksid prehaja v raztopino pod delovanjem alkalnih cianidov. Nad 170°C razpade na kadmijev oksid. Medsebojno delovanje kadmijevega hidroksida z vodikovim peroksidom v vodni raztopini povzroči nastanek peroksidov različnih sestav.

Kadmijev hidroksid se uporablja za pridobivanje drugih kadmijevih spojin in tudi kot analitski reagent. Je del kadmijevih elektrod v tokovnih virih. Poleg tega se kadmijev hidroksid uporablja v dekorativnem steklu in emajlih.

kadmijev fluorid

CDF 2 je rahlo topen v vodi (4,06 mas. % pri 20 °C), netopen v etanolu. Lahko ga dobimo z delovanjem fluora na kovino ali vodikovega fluorida na kadmijev karbonat.

Kadmijev fluorid se uporablja kot optični material. Je del nekaterih stekel in fosforjev, pa tudi trdnih elektrolitov v kemičnih virih toka.

Kadmijev klorid

CdCl 2 je zelo topen v vodi (53,2 mas. % pri 20 °C). Njegova kovalentna narava je odgovorna za relativno nizko tališče (568,5 °C) in topnost v etanolu (1,5 % pri 25 °C).

Kadmijev klorid se pridobiva z reakcijo kadmija s koncentrirano klorovodikovo kislino ali s kloriranjem kovine pri 500 °C.

Kadmijev klorid je sestavni del elektrolitov v kadmijevih elektrokemičnih celicah in sorbentov v plinski kromatografiji. Je del nekaterih rešitev v fotografiji, katalizatorjev v organski sintezi, fluksov za gojenje polprevodniških kristalov. Uporablja se kot jedkal pri barvanju in tiskanju tekstila. Kadmijeve spojine se pridobivajo iz kadmijevega klorida.

Kadmijev bromid

CdBr 2 tvori luskaste kristale z bisernim leskom. Je zelo higroskopičen, zelo topen v vodi (52,9 % teže pri 25 °C), metanolu (13,9 % teže pri 20 °C), etanolu (23,3 % teže pri 20 °C).

Kadmijev bromid se pridobiva z bromiranjem kovine ali z delovanjem vodikovega bromida na kadmijev karbonat.

Kadmijev bromid služi kot katalizator v organski sintezi, je stabilizator za fotografske emulzije in je sestavni del vibrirajočih kompozicij v fotografiji.

kadmijev jodid

CdI 2 tvori sijoče kristale v obliki lističev, imajo plastovito (dvodimenzionalno) kristalno strukturo. Znanih je do 200 politipov kadmijevega jodida, ki se razlikujejo po zaporedju plasti s heksagonalnim in kubičnim tesnim pakiranjem.

Za razliko od drugih halogenov kadmijev jodid ni higroskopičen. Je dobro topen v vodi (46,4 mas. % pri 25 °C). Kadmijev jodid se pridobiva z jodiranjem kovine pri segrevanju ali v prisotnosti vode, pa tudi z delovanjem vodikovega jodida na kadmijev karbonat ali oksid.

Kadmijev jodid služi kot katalizator v organski sintezi. Je sestavni del pirotehničnih sestavkov in maziv.

Kadmijev sulfid CdS je bil verjetno prva spojina tega elementa, za katero se je zanimala industrija. Tvori limonasto rumene do oranžno rdeče kristale. Kadmijev sulfid ima polprevodniške lastnosti.

Ta spojina je praktično netopna v vodi. Odporen je tudi na delovanje alkalijskih raztopin in večine kislin.

Kadmijev sulfid se pridobiva z interakcijo kadmijevih in žveplovih hlapov, obarjanjem iz raztopin pod vplivom vodikovega sulfida ali natrijevega sulfida, reakcijami med kadmijevimi in organožveplovimi spojinami.

Kadmijev sulfid Pomembno mineralno barvilo, prej imenovano kadmijevo rumeno.

V pleskarstvu se je kadmijevo rumeno začelo pozneje vse bolj uporabljati. Z njo so barvali predvsem osebna vozila, saj je ta barva poleg drugih prednosti dobro prenašala dim lokomotiv. Kot barvilo so kadmijev sulfid uporabljali tudi v tekstilni industriji in industriji mila. Za pridobitev barvnih prozornih stekel smo uporabili ustrezne koloidne disperzije.

V zadnjih letih so čisti kadmijev sulfid nadomestili cenejši pigmenti, kadmopon in cink-kadmijev litopon. Kadmopon je mešanica kadmijevega sulfida in barijevega sulfata. Pridobiva se z mešanjem dveh topnih soli, kadmijevega sulfata in barijevega sulfida. Posledično nastane oborina, ki vsebuje dve netopni soli:

CdSO 4 + BaS = CdS

Ї + BaSO 4 Ї

Kadmijev cink litopon vsebuje tudi cinkov sulfid. Pri izdelavi tega barvila se hkrati oborijo tri soli. Litopon smetana ali slonovina.

Z dodatkom kadmijevega selenida, cinkovega sulfida, živosrebrovega sulfida in drugih spojin daje kadmijev sulfid termično stabilne pigmente svetle barve od bledo rumene do temno rdeče.

Kadmijev sulfid daje plamenu modro barvo. Ta lastnost se uporablja v pirotehniki.

Poleg tega se kadmijev sulfid uporablja kot aktivni medij v polprevodniških laserjih. Zgodilo se bo kot material za izdelavo fotocelic, sončnih celic, fotodiod, svetlečih diod, fosforjev.

Kadmijev selenid CdSe tvori temno rdeče kristale. Je netopen v vodi, razgradijo ga klorovodikova, dušikova in žveplova kislina. Kadmijev selenid se pridobiva s taljenjem enostavnih snovi ali iz plinastega kadmija in selena, pa tudi z obarjanjem iz raztopine kadmijevega sulfata pod delovanjem vodikovega selenida, z reakcijo kadmijevega sulfida s selenovo kislino, z interakcijo med kadmijem in organoselenom. spojine.

Kadmijev selenid je fosfor. Služi kot aktivni medij v polprevodniških laserjih, je material za izdelavo fotouporov, fotodiod in sončnih celic.

Kadmijev selenid je pigment za emajle, glazure in umetniške barve. Rubinasto steklo je obarvano s kadmijevim selenidom. Prav on in ne kromov oksid, kot v samem rubinu, je naredil zvezde moskovskega Kremlja rubinasto rdeče.

Kadmijev telurid CdTe je lahko temno sive do temno rjave barve. V vodi je netopen, vendar ga koncentrirane kisline razgradijo. Pridobiva se z interakcijo tekočega ali plinastega kadmija in telura.

Kadmijev telurid, ki ima polprevodniške lastnosti, se uporablja kot rentgen in

g -sevanje, živosrebrov-kadmijev telurid pa je našel široko uporabo (predvsem v vojaške namene) v IR detektorjih za toplotno slikanje.

Ko se poruši stehiometrija ali se vnesejo nečistoče (na primer atomi bakra in klora), kadmijev telurid pridobi svetlobno občutljive lastnosti. To se uporablja v elektrofotografiji.

Organokadmijeve spojine CdR 2 in CdRX (R = CH 3 , C 2 H 5 , C 6 H 5 in drugi ogljikovodikovi radikali, X halogeni, OR, SR itd.) običajno dobimo iz ustreznih Grignardovih reagentov. So termično manj stabilni kot njihovi cinkovi primerki, vendar na splošno manj reaktivni (na splošno niso vnetljivi na zraku). Njihovo najpomembnejše področje uporabe je priprava ketonov iz kislinskih kloridov.

Biološka vloga kadmija. Kadmij najdemo v organizmih skoraj vseh živali (v kopenskih živalih okoli 0,5 mg na 1 kg mase, v morskih od 0,15 do 3 mg/kg). Velja pa za eno najbolj strupenih težkih kovin.

Kadmij se v telesu koncentrira predvsem v ledvicah in jetrih, s starostjo pa se vsebnost kadmija v telesu povečuje. Kopiči se v obliki kompleksov z beljakovinami, ki sodelujejo pri encimskih procesih. Ko pride v telo od zunaj, ima kadmij zaviralni učinek na številne encime in jih uniči. Njegovo delovanje temelji na vezavi SH skupine cisteinskih ostankov v beljakovinah in zaviranju encimov SH. Prav tako lahko zavre delovanje encimov, ki vsebujejo cink, tako da nadomesti cink. Zaradi bližine ionskih polmerov kalcija in kadmija lahko nadomesti kalcij v kostnem tkivu.

Ljudje se s kadmijem zastrupljajo s pitno vodo, onesnaženo z odpadki, ki vsebujejo kadmij, pa tudi z zelenjavo in žiti, ki rastejo na zemljiščih v bližini rafinerij nafte in metalurških podjetij. Gobe ​​imajo posebno sposobnost kopičenja kadmija. Po nekaterih poročilih lahko vsebnost kadmija v gobah doseže enote, desetine in celo 100 ali več miligramov na kg lastne teže. Kadmijeve spojine so med škodljivimi snovmi, ki jih najdemo v tobačnem dimu (ena cigareta vsebuje 12 mikrogramov kadmija).

Klasičen primer kronične zastrupitve s kadmijem je bolezen, ki je bila prvič opisana na Japonskem v petdesetih letih prejšnjega stoletja in se je imenovala itai-itai. Bolezen spremljajo hude bolečine v ledvenem delu, bolečine v mišicah. Prisotni so bili tudi značilni znaki ireverzibilne okvare ledvic. Zabeleženih je na stotine smrti itai-itai. Bolezen je postala razširjena zaradi visokega onesnaževanja okolja na Japonskem v tistem času in posebnosti japonske prehrane - predvsem riža in morskih sadežev (sposobni so kopičiti kadmij v visokih koncentracijah). Študije so pokazale, da so bolni »itai-itai« dnevno zaužili do 600 mikrogramov kadmija. Kasneje se je zaradi okoljevarstvenih ukrepov pogostost in resnost sindromov, kot je "itai-itai", izrazito zmanjšala.

V Združenih državah je bila ugotovljena povezava med atmosferskimi ravnmi kadmija in pojavnostjo smrti zaradi bolezni srca in ožilja.

Menijo, da lahko približno 1 μg kadmija na 1 kg telesne teže vstopi v človeško telo na dan brez škode za zdravje. Pitna voda naj ne vsebuje več kot 0,01 mg/l kadmija. Protistrup za zastrupitev s kadmijem je selen, vendar uživanje hrane, bogate s tem elementom, povzroči zmanjšanje vsebnosti žvepla v telesu, v tem primeru postane kadmij spet nevaren.

Elena Savinkina

LITERATURA Priljubljena knjižnica kemijskih elementov. M., Nauka, 1977
Karapetyants M.Kh., Drakin S.I. Splošna in anorganska kemija. M., Kemija, 1992
Greenwood N.N., Earnshaw A. Kemija elementov, Oxford: Butterworth, 1997

Pridobite kadmijev sulfid z uporabo vodikove sulfidne vode kot obarjalca. Upoštevajte barvo in naravo oborine. Napiši reakcijsko enačbo. Odcedite tekočino iz oborine in ji dodajte razredčeno raztopino. HCl. Ali se oborina raztopi? Z uporabo vrednosti produkta topnosti razložite, zakaj se cinkov sulfid in kadmijev sulfid obravnavata drugače. HCl.

Izkušnja 8. kompleksne spojine kadmija

Raztopini kadmijevega sulfata po kapljicah dodajamo raztopino amoniaka, dokler se prvotno nastala oborina ne raztopi. Zapišite reakcijsko enačbo, pri čemer upoštevajte, da je koordinacijsko število kadmija v nastali kompleksni spojini štiri. Zapišite enačbo za elektrolitsko disociacijo dobljene kompleksne spojine in izraz za konstanto nestabilnosti kompleksnega iona.

Izkušnja 9. hidroliza kadmijevih soli

A) Z raztopino nevtralnega lakmusa preizkusimo reakcijo medija z raztopino kadmijevega sulfata. Razloži opazovani pojav. Zapišite enačbo reakcije hidrolize v molekulski in ionski obliki.

b) Raztopini kadmijevega sulfata dodamo raztopino natrijevega karbonata. Opazujte nastanek oborine. Produkt katere stopnje hidrolize je nastala snov? Napišite molekularne in ionske enačbe za reakcije hidrolize kadmijevega karbonata po stopnjah.

Izkušnja 10. Hidroliza ŽIVOSREBROVE (II) SOLI

A) Nekaj ​​kristalov živosrebrovega sulfata ali nitrata (II) raztopite v majhni količini vode. Opazujte nastanek oborine bazične soli. Preizkusite reakcijo medija z lakmusom. Napiši reakcijsko enačbo.

b) Naredite enak poskus, najprej nakisajte vodo z razredčeno raztopino HNO3. Primerjajte rezultate. Razloži opazovani pojav.

Izkušnje 11. pridobivanje živosrebrovega oksida (I)

Do rešitve Hg(NO 3) 2 dodajte raztopino alkalije. Kaj se dogaja? Upoštevajte barvo nastale oborine. Napišite reakcijsko enačbo in strukturno formulo Hg2O.

Izkušnja 12. pridobivanje kalomela

Iz topne soli živega srebra (I) za pridobivanje kalomela. Napiši reakcijsko enačbo.

BAKER, srebro, zlato.

Laboratorija št. 6

Tarča: 1) eksperimentalno raziskati lastnosti bakra in njegovih spojin;

2) preučevanje lastnosti srebrovih spojin.

Izkušnje 1. lastnosti bakra

(Delo v dimni napi)

a) Interakcija bakra s kislinami

Razredčeno in koncentrirano raztopino kisline v ločenih epruvetah nalijte na majhno količino bakrenih ostružkov. HCl, H2SO4 in HNO3.

Opazujte, kaj se dogaja. Tiste epruvete, v katerih se reakcija ni začela, segrejemo ( previdno!). Ali baker reagira z vsemi kislinami? Bodite pozorni na barvo raztopine. Prisotnost katerega iona povzroča to barvo? Določite po značilnem vonju in barvi pline, ki se sproščajo kot posledica reakcije.

Napišite reakcijske enačbe, razložite izbiro koeficientov.

Naredite sklep o redukcijskih lastnostih bakra.

b) Interakcija bakra z ioni manj aktivnih kovin

S pomočjo elektrokemijskega niza kovinskih napetosti ugotovite, kateri kovinski ioni v raztopinah njihovih soli so sposobni oksidirati baker.

V raztopino živosrebrovega (II) nitrata spustite konec bakrene žice, predhodno očiščen z brusnim papirjem. Kakšni so znaki, da poteka kemična reakcija? Napiši reakcijsko enačbo.

Poskus 2. Priprava in lastnosti bakrovega (II) hidroksida

A) Pridobite oborino bakrovega (II) hidroksida. Upoštevajte barvo in naravo oborine. Napiši reakcijsko enačbo.

b) Eksperimentalno dokažite, da bakrov (II) hidroksid kaže amfoterne lastnosti. Zapišite reakcijske enačbe v molekulski in ionski obliki.

V) Dobimo oborino bakrovega hidroksida. Tekočino stresemo z usedlino in segrejemo do vrenja. Zakaj se je barva oborine spremenila? Napiši reakcijsko enačbo. Kaj lahko sklepamo o toplotni stabilnosti bakrovega (II) hidroksida?

Poskus 3. Hidroliza bakrovih (II) soli

A) Preizkusite raztopino bakrove (II) soli z indikatorskim papirjem. Kakšen je odziv okolice? Napišite enačbo za reakcijo hidrolize.

b) Raztopini bakrovega (II) sulfata dodajte raztopino natrijevega karbonata. Kakšni so znaki, da poteka kemična reakcija? Napišite reakcijsko enačbo za interakcijo bakrovega (II) sulfata z natrijevim karbonatom ob sodelovanju vode.

Izkušnje 4. prejemanje in lastnosti

Kompleksna bakrova sol (II)

Raztopini bakrovega (II) sulfata dodajamo po kapljicah raztopino amoniaka, dokler se oborina bazične soli, ki se obori na začetku, ne raztopi. Napiši reakcijske enačbe. Kateri ion vsebuje atome bakra? Kakšne je barve nastali ion? Napiši enačbo za elektrolitsko disociacijo nastale kompleksne soli in zapiši izraz za konstanto nestabilnosti kompleksnega iona. Eksperimentalno dokaži, da so v raztopini sulfatni ioni.

S tabelo produkta topnosti izberite reagent, s katerim lahko zaznate bakrove (II) ione v raztopini kompleksne soli.

Izkušnje 5. srebrovi halogenidi

A) Pridobite srebrove halogenide. Bodite pozorni na naravo in barvo dobljenih spojin. Napiši reakcijske enačbe. Preizkusite razmerje med količino padavin in HNO3. Zakaj se srebrovi halogenidi ne raztopijo v HNO3?

b a) Pridobite oborino srebrovega halogenida, filtrirajte in sperite z vodo. Preizkusite učinek svetlobe na njih (najbolje neposredne sončne svetlobe). Napiši reakcijske enačbe.

Kadmijev sulfid je eden najbolj raziskanih tankoplastnih polprevodniških materialov. Nanašanje kakovostno primernih slojev za izdelavo sončnih celic poteka z različnimi metodami. Ti vključujejo: vakuumsko izhlapevanje, pulverizacijo, ki ji sledi piroliza, ionsko razprševanje, epitaksija z molekularnim žarkom in plinom, nanašanje s transportom plina v kvazizaprtem volumnu, nanašanje s kemično paro, sitotisk, nanašanje raztopine, eloksiranje in elektroforeza.

3.2.7.1 Strukturne lastnosti

Filmi, pridobljeni z vakuumskim izhlapevanjem in namenjeni ustvarjanju sončnih celic, imajo običajno debelino 15...30 µm, njihovo nanašanje pa poteka s hitrostjo 0,5...3 µm/min pri temperaturi podlage 200... 250 °C in temperatura uparjalnika 900...1050 °С. Pod temi pogoji filmi kristalizirajo v wurtzitni strukturi in se izkaže, da so usmerjeni tako, da je ravnina (002) vzporedna in da je os c pravokotna na površino substrata. Kot je prikazano na sl. 4.2 imajo filmi stolpično strukturo, pri čemer vsak stolpec predstavlja ločeno zrno. Velikost zrn v takih filmih običajno variira od 1 do 5 µm, čeprav so poročali o večjih zrnih do 10 µm. Upoštevati je treba, da so tanjši filmi sestavljeni iz finejših napačno orientiranih zrn. Na kristalno strukturo in mikrostrukturo filmov pomembno vpliva temperatura substrata med postopkom nanašanja.

Vankar in sodelavci ter Das so pri proučevanju odvisnosti strukturnih lastnosti filmov, dobljenih z vakuumskim izhlapevanjem, od temperature substrata ugotovili, da so kristalografska struktura in parametri kristalne mreže filmov v veliki meri določeni s temperaturo njihovega nanašanja. Filmi, pridobljeni pri temperaturi substrata v območju od sobne temperature do 150 °C, imajo strukturo sfalerita, medtem ko pri temperaturi substrata 170 °C in več filmi kristalizirajo v wurtzit strukturo. V temperaturnem območju od 150 do 170°C imajo filmi dvofazno strukturo, sestavljeno iz mešanice sfalerita in wurtzita. Pri temperaturi nanašanja, ki je enaka ali višja od 200 °C, nastanejo filmi s prevladujočo orientacijo zrn. Zvišanje temperature nanašanja filma povzroči povečanje velikosti zrn. Dimenzije površinskih nepravilnosti filmov se najprej povečajo z naraščanjem temperature substrata, nato pa se zmanjšajo pri temperaturah nad 150 °C, verjetno zaradi ponovnega izparevanja. Lupine so bile najdene v filmih, odloženih pri temperaturah nad 200 °C.

Za pridobitev zrn z velikostjo 100–800 µm so Fraaz in drugi izvedli rekristalizacijo filmov, dobljenih z vakuumskim izparevanjem s toplotno obdelavo v toku.V tem primeru se je orientacija osi iz kristalne mreže spremenila in uničenje stebraste mikrostrukture filmov. Glede na Amitove rezultate z večanjem debeline filma postanejo zrna bolj groba, poveča se stopnja njihove prednostne orientacije, pa tudi stopnja orientacije osi c v smeri uparjalnika; poleg tega se povečajo dimenzije površinskih nepravilnosti. Hall ugotavlja, da v filmih takoj po nanašanju os zrn c običajno odstopa od normale na površino substrata za povprečni kot 19°. Krivulja porazdelitve kota odstopanja osi c glede na povprečno vrednost ima gladko obliko, polovična širina porazdelitve na ravni, ki ustreza polovici maksimuma, pa je 10 ... 12 °. Zaradi naknadne toplotne obdelave filmov pri temperaturi 190 °C in visokem tlaku se polovična širina te porazdelitve na ravni polovice maksimuma zmanjša na 3 °.

Na podlagi rezultatov elektronskih mikroskopskih študij je Tseng ugotovil, da zgornja plast filmov s strukturo wurtzita vsebuje zrna z nagnjenimi mejami in njihov kot napačne orientacije variira od 9 do 40 °. Glavni del meja zrn je med seboj vzporeden. Dere in Parik sta ugotovila, da stopnja urejenosti strukture, popolnost kristalne mreže in kakovost

fasetiranje kristalitov se poveča, ko se med nanašanjem filma ustvari globlji vakuum. Avtorji so dokazali, da je mogoče visoko kakovostne filme dobiti v širokem razponu koncentracijskih razmerij, vendar najboljše rezultate dosežemo z razmerjem 1,5. Poleg tega imajo filmi, v katerih koncentracija dopanta (v tem primeru indija) doseže mejo topnosti, popolnejšo kristalno strukturo.

Najpomembnejši parameter, ki vpliva na kristalografske značilnosti in mikrostrukturo filmov, dobljenih z razprševanjem, ki mu sledi piroliza, je temperatura substrata med nanašanjem. Vendar sta velikost zrn in stopnja njihove orientacije (če raste urejena struktura) odvisni tudi od številnih drugih dejavnikov, vključno s sestavo soli v razpršeni raztopini, razmerjem koncentracij kationov in anionov , in tudi na vrsto dopanta.

riž. 3.14 prikazuje učinek razmerja koncentracije temperature podlage, debeline filma, dopanta, prisotnosti drugih plasti na podlagi in žarjenja po nanosu na stopnjo orientacije filma. Opozoriti je treba, da ti rezultati niso splošni. in da so različni avtorji dobili filme z različnimi orientacijskimi smermi. Filmi, naneseni z raztopino soli ocetne kisline, so sestavljeni iz zelo drobnih zrn. Pri uporabi kloridnih raztopin nastanejo večja zrna z določeno orientacijo osi c. Običajno je v filmih, pridobljenih z brizganjem, ki mu sledi piroliza, velikost zrn, vendar po poročilih nekaterih avtorjev lahko doseže prisotnost takšnih nečistoč, ki spodbujajo grobost zrn; netopne nečistoče, kot so tiste, ki so prisotne v kakršni koli pomembni koncentraciji, preprečujejo rekristalizacijo filmov in povzročijo tudi močno zmanjšanje velikosti zrn in kršitev njihove prednostne orientacije.

Zaradi precipitacije na mejah zrn dobi površina filmov labirintno strukturo. Površinski relief filmov nedopiranega in dopiranega kadmijevega sulfida je prikazan na sl. in Bube ugotavljata, da filmi, naneseni z brizganjem, ki mu sledi

(kliknite za ogled skeniranega)

piroliza na podlagah z nizkimi in visokimi temperaturami kristalizira v strukturi sfalerita oziroma wurtzita. Vendar pa glede na Banerjee et al. Vrsta nastale kristalne strukture ni odvisna od temperature nanašanja filma. Posebnosti filmov, pridobljenih s to metodo, so njihova visoka oprijemljivost na podlago in prisotnost kontinuitete tudi pri majhni debelini.

Za filme, nanesene z ionskim razprševanjem, je značilna višja stopnja orientacije osi c v primerjavi s filmi, pridobljenimi z vakuumskim izparevanjem. Poleg tega imajo filmi, proizvedeni z metodo ionskega razprševanja, pri enaki debelini manjše število skoznjih por. Ti filmi so običajno sestavljeni iz manjših zrn, vendar imajo stebrasto strukturo. Filmi, ki nastanejo med ionskim razprševanjem, vedno kristalizirajo v heksagonalni strukturi s prevladujočo orientacijo osi c glede na normalo na površino substrata. Peel in Murray ugotavljata, da s to metodo nanašanja filma vsebujejo delce ioniziranega plina, ujete v procesu rasti, v katerem se vzbuja razelektritev. Mitchell et al., z uporabo nanašanja s transportom plina v kvazizaprtem volumnu, so dobili filme debeline 1–3 μm z velikostjo zrn v istem območju in niso našli povezave med velikostjo zrn in temperaturo substrata v intervalu. Rezultati Yoshikawa in Sakaija, temperatura substrata vpliva na površinsko morfologijo filmov, nanesenih s to metodo, in da dobimo gladko površino, je treba substrat segreti na visoko temperaturo. Vendar pa rast brkov opazimo pri zelo visokih temperaturah. Med nanašanjem filmov s transportom plina v kvazizaprtem volumnu je os c njihove kristalne mreže usmerjena skoraj pravokotno na ravnino substrata.

Epitaksialni filmi so bili pridobljeni na spinelnih substratih.Filmi, vzgojeni z molekularno žarkovno epitaksijo na površini spinela, imajo strukturo wurtzita, pri uporabi substratov pa strukturo sfalerita. Metoda plinske epitaksije je bila uporabljena za nanašanje monokristalnih plasti heksagonalne

modifikacije na (111), (110) in (100) ploskvah kristalov so bile opažene naslednje vrste heteroepitaksialne rasti:

Filmi, ki se nanesejo iz raztopine, so sestavljeni iz drobnih zrn, katerih velikost ne presega.Z zmanjšanjem hitrosti rasti filma in zvišanjem temperature kopeli nastanejo večja zrna. Struktura tako vzgojenih filmov se lahko razlikuje glede na pogoje nanašanja. Filmi, dobljeni iz raztopine, ki vsebuje kompleksno spojino, ob spremembi parametrov procesa nanašanja kristalizirajo v strukturi sfalerita, wurtzita ali v mešani strukturi, medtem ko uporaba raztopin, ki vsebujejo kompleksne spojine, vedno povzroči nastanek filmov, ki imajo Wurtzitna struktura z osjo c pravokotno na podlago.

3.2.7.2 Električne lastnosti

Spreminjanje pogojev nanašanja drastično spremeni električne lastnosti tankih plasti. Filmi, proizvedeni z vakuumskim izhlapevanjem in uporabljeni v sončnih celicah, imajo običajno upornost Ω cm in koncentracijo nosilca. Filmi imajo vedno -tip prevodnosti, kar je posledica odstopanja njihove sestave od stehiometrične zaradi prisotnosti žveplovih prostih mest in presežne količine kadmija. Mobilnost nosilca je. Glede na rezultate meritev se difuzijska dolžina manjšinskih nosilcev v filmih, nanesenih z vakuumskim izparevanjem, spreminja od 0,1 do 0,3 μm. Koncentracija nosilca narašča s povečanjem hitrosti rasti filmov in povečanjem njihove debeline 1113]; v tem primeru opazimo ustrezno zmanjšanje upornosti.

Električne lastnosti filmov so v veliki meri odvisne od razmerja koncentracij atomov v procesu izparevanja, pa tudi od prisotnosti dopantov. Filmi, dopirani med nanašanjem, katerih koncentracijsko razmerje je 1,5, se odlikujejo po najvišjih električnih in strukturnih lastnostih. Nizke vrednosti upornosti, ki dosežejo Ω cm pri mobilnosti nosilca, so bile pridobljene za filme s koncentracijo indija, ki je enak 3.15 prikazuje odvisnosti upornosti in mobilnosti nosilcev od razmerja koncentracij

riž. 3.15. Odvisnosti upornosti in mobilnosti nosilcev v filmih, pridobljenih z vakuumskim izparevanjem in dopiranih z indijem, od razmerja koncentracij atomov v koncentraciji koncentracije toka pare

za dva filma z različnimi koncentracijami, nanesena z vakuumskim izparevanjem. Wang je poročal, da se s povečanjem masnega deleža na približno do koncentracija nosilcev poveča za skoraj tri velikostne rede, bistveno pa se poveča tudi njihova mobilnost. Pri višji vsebnosti dopanta se koncentracija nosilcev ne poveča, njihova mobilnost pa se nekoliko zmanjša. Vendar pa so pri nizkih ravneh dopinga z indijem za filme značilne nizke vrednosti tako koncentracije nosilca kot mobilnosti. Med nanašanjem dopiranih filmov (z vsebnostjo indija -2%) se koncentracija nosilcev in njihova mobilnost, kot je prikazano na sl. 3.16 so zelo šibko odvisne od temperature podlage v širokem temperaturnem območju. Dopiranje filmov z bakrom vodi do nasprotnega učinka - zmanjšanja koncentracije nosilcev in povečanja upornosti za več vrst velikosti. Poleg tega se zmanjša mobilnost elektronov.

Več avtorjev je proučevalo mehanizem transporta nosilcev naboja v filmih, pridobljenih z vakuumsko evaporacijo. Dappy in Kassing povezujeta značilnosti električnih lastnosti filmov s prevladujočim vplivom globokih nivojev iste vrste, katerih videz je posledica prostih mest žvepla. Energijske značilnosti teh ravni so določene s številom prostih mest žvepla, in če je njihova koncentracija nizka, potem lokalne ravni

riž. 3.16. Odvisnosti koncentracije in mobilnosti nosilca od temperature substrata za nedopirane in z indijem dopirane filme, pridobljene z diskretnim izhlapevanjem.

odmaknjen od roba prevodnega pasu za približno Poročalo se je, da se nečistočni pas tvori pri visoki koncentraciji prostih mest. Dare in Parik sta našla energijsko raven z aktivacijsko energijo, Bube pa ugotavlja, da je v filmih, pridobljenih z metodo izhlapevanja in vsebujejo plitke donorske nivoje, brez osvetlitve koncentracija elektronov v temperaturnem območju od 200 do 330 K pravzaprav neodvisna. temperature. Aktivacijska energija, ugotovljena iz temperaturne odvisnosti koncentracije elektronov, se spreminja od do Glede na temperaturno odvisnost mobilnosti nosilca, katerega predeksponentni faktor je enak vrednosti aktivacijske energije so v območju od 0,11 do 0,19 eV. V filmih, nanesenih s to metodo, na proces prenosa nosilcev naboja pomembno vplivajo strukturne lastnosti in elektrofizične značilnosti meja zrn. Filmi so takoj po izhlapevanju neobčutljivi na svetlobo. Vendar pa po vnosu bakrovih atomov v film (difuzijska metoda) opazimo pomembno fotoprevodnost, v pogojih visoke stopnje fotovzbujanja pa je koncentracija elektronov nižja in njihova mobilnost večja kot v filmih brez bakra.

Električne lastnosti filmov, pridobljenih s pulverizacijo, ki ji sledi piroliza, so določene predvsem z značilnostmi procesa kemosorpcije kisika na mejah zrn, ki ga spremlja zmanjšanje

koncentracija in mobilnost nosilcev. Zaradi prisotnosti prostih mest žvepla imajo takšni filmi vedno prevodnost -tipa, njihova upornost pa se lahko spreminja v zelo širokem območju, ki se razlikuje do osem velikosti. Naknadno žarjenje filmov na zraku povzroči povečanje njihove upornosti na približno do in pojav močne fotoprevodnosti. Po meritvah, opravljenih v laboratoriju avtorjev, se približno 1 ms po vklopu svetlobnega vira prevodnost filmov poveča za faktor . Zaradi vakuumskega žarjenja filmov se njihova upornost zmanjša na , fotoprevodnost pa je tudi ugasnjena, kar kaže na reverzibilnost procesov kemisorpcije in desorpcije kisika. Odvisnost upornosti filmov od temperature žarjenja je prikazana na sl. 3.17 a.

Podrobno eksperimentalno študijo parametrov procesa prenosa elektronov v filmih je izvedlo več avtorjev. Ma in Bube sta ugotovila oscilatorni značaj spremembe električne prevodnosti, koncentracije nosilcev in mobilnosti v odvisnosti od temperature nanosa filma. Hitrost ohlajanja filmov (na koncu njihove rasti) vpliva na kinetiko kemisorpcije in s tem tudi na proces prenosa elektronov. Kwok in Sue, ki sta preučevala filme, pridobljene z razprševanjem, ki mu je sledila piroliza, ugotavljata, da se s povečanjem njihove debeline, ki ga spremlja grobljenje zrn, poveča temna koncentracija in mobilnost nosilcev. Na sl. 3.17, b prikazuje odvisnosti koncentracije in mobilnosti nosilcev od debeline filma v prisotnosti in odsotnosti osvetlitve. Hallov učinek in meritve termo-emf z. v osvetljenih vzorcih kažejo, da pod delovanjem svetlobe pride do spremembe koncentracije ali mobilnosti nosilcev in morda obeh parametrov hkrati. Kateri izmed njih se spremeni v večji meri, je odvisno od relativnega vpliva lastnosti mikrostrukture (velikost zrn) in toplotne obdelave nanesenega filma (prisotnost kemosorbiranega kisika) na tokovni tok. Po meritvah je difuzijska dolžina lukenj v filmih, pridobljenih s pulverizacijo, ki ji sledi piroliza, 0,2...0,4 µm.

Filmi takoj po ionskem razprševanju imajo visoko upornost, ki doseže 108 Ohm-cm. S sonapršenjem nastanejo filmi z upornostjo 1 Ω-cm in gibljivostjo nosilca, ki je približno enaka

riž. 3.17. Temperaturne odvisnosti temne upornosti filmov, nanesenih z razprševanjem, ki mu sledi piroliza, žarjenje v vakuumu in v atmosferi različnih plinov (a). Točka A določa upornost filmov takoj po nanašanju, krivuljo spremembe upornosti filmov med žarjenjem v vakuumu, krivuljo upornosti filmov, žarjenih v vakuumu ali atmosferi inertnega plina, merjeno pri različnih temperaturah, točko je upornost filmov, žarjenih v vakuumu.

Odvisnosti mobilnosti in koncentracije nosilcev od debeline filmov, dobljenih s pulverizacijo, ki ji sledi piroliza ob osvetlitvi, v temi.

Lichtensteiger je pridobil dopirane filme tipa - z mobilnostjo lukenj. Koncentracija nosilcev v filmih, dopiranih z indijem (glede na meritve, je vsebnost atomov približno električne lastnosti filmov, pridobljenih z ionskim razprševanjem, so podobne tistim, ki nastanejo z izparevanjem.

z uporabo ionskega razprševanja in zelo mobilnih nosilcev je difuzijska dolžina elektronov

Filmi, dobljeni s kemičnim nanašanjem iz raztopine, imajo prevodnost -tipa, njihova upornost, ki je , pa se po žarjenju v vakuumu zmanjša na . To zmanjšanje upornosti, ki je značilno tudi za filme, ustvarjene z metodo pulverizacije, je povezano z desorpcijo kisika. Naknadno segrevanje filmov na zraku ali v atmosferi kisika lahko vodi do ponovne vzpostavitve začetnih vrednosti upornosti. Po eksperimentalnih podatkih Pavaskarja in sod. je v osvetljenih vzorcih koncentracija nosilcev približno enaka, njihova mobilnost pa - . Zaradi žarjenja na zraku filmi, naneseni iz raztopine, pridobijo visoko fotoobčutljivost. Filmi, pridobljeni s sitotiskom, imajo tudi visoko fotoobčutljivost in razmerje upornosti v odsotnosti in prisotnosti osvetlitve (pri intenzivnosti sevanja je zanje. Filmi, naneseni z elektroforezo, imajo upornost v območju .

Za epitaksialne filme je značilna zelo visoka mobilnost nosilcev. Električne lastnosti filmov, epitaksialno nanesenih na substrate GaAs med reakcijo kemičnega transporta v kvazizaprtem volumnu, so v veliki meri odvisne od pogojev njihove rasti, najbolj od temperature substrata. Ko se temperatura podlage dvigne, se koncentracija nosilca eksponentno poveča. S tem se poveča tudi mobilnost elektronov. Največja dobljena vrednost mobilnosti je Ker se temperatura substrata spreminja, lahko upornost filmov variira od do . Nedopirani epitaksialni filmi, naneseni z epitaksijo z molekularnim žarkom, imajo upornost, ki eksponentno pada z naraščajočo temperaturo, zanje pa je značilna aktivacijska energija 1,6 eV. V filmih, dopiranih z indijem, je koncentracija nosilcev in njihova Hallova gibljivost je - Epitaksialni filmi, pridobljeni s kemično metodo iz parne faze, imajo takoj po nanosu upornost . Žarjenje filmov v atmosferi ali pri temperaturi 400 °C vodi do zmanjšanja upornosti na vrednosti. Mobilnost nosilcev v visokoodpornih filmih je

riž. 3.18. Spektralne odvisnosti lomnih in absorpcijskih količnikov filmov, dobljenih z vakuumsko evaporacijo pri treh različnih temperaturah substrata. 1 - sobna temperatura;

3.2.7.3 Optične lastnosti

Optične lastnosti filmov so v bistvu odvisne od njihove mikrostrukture in posledično od pogojev nanašanja. Med izhlapevanjem nastanejo gladki zrcalno odbojni filmi, vendar z večanjem njihove debeline postane površinski relief bolj hrapav in odboj sevanja od debelih filmov je večinoma difuzen. Kwaya in Tomlin sta izmerila odbojne in prepustne koeficiente filmov, nanesenih z izparevanjem, in določila njihove optične konstante v območju valovnih dolžin 0,25...2,0 μm, pri čemer sta upoštevala učinek sipanja sevanja na površini.

Analiza dobljenih rezultatov (glej sliko 3.18) kaže, da absorpcijo svetlobe z energijo 2,42 ... .2,82 eV spremljajo neposredni optični prehodi, pri energijah nad 2,82 eV pa so možni neposredni in posredni prehodi. . Vrednosti so odvisne od temperature podlage med nanašanjem filma. Pri visoki temperaturi substrata, ki zagotavlja rast grobih zrn, se lomni količnik filma približa vrednosti, značilni za monokristalni material. Filmi, ustvarjeni z ionskim razprševanjem, imajo območje ostre spremembe prepustnosti pri vrednosti valovne dolžine približno 0,52 mikrona, kar ustreza pasovni vrzeli. V dolgovalovnem območju spektra so filmi zelo transparentni. V filmih, pridobljenih z razprševanjem, ki mu sledi piroliza, pasovna vrzel in spektralni položaj roba glavnega absorpcijskega pasu nista odvisna od mikrostrukture. Delež difuzno odbite svetlobe in s tem prosojnost filmov

riž. 3.19. Spektralne odvisnosti prepustnosti filmov, nanesenih z razprševanjem, ki mu sledi piroliza, pri različnih pogojih - temperatura substrata; debelina filma; razmerje atomskih koncentracij

so opredeljeni, kot je prikazano na sl. 3.19, njihova debelina, temperatura substrata in razmerje koncentracij. Z večanjem debeline filma prevladuje difuzni odboj sevanja, ki pa oslabi v filmih, ki rastejo pri povišani temperaturi (zaradi povečanja velikosti zrn in stopnje njihove orientacije). Pri zelo visokih temperaturah nanašanja (bolj verjetno pride do pomembne spremembe v kinetiki rasti filmov, zaradi česar njihova površina postane hrapava in razprši sevanje.

Berg in drugi ugotavljajo, da značilnosti zrnate strukture in morfologije filmov (debeline 3–4 µm), nanesenih z razprševanjem, ki mu sledi piroliza, povzročajo močno sipanje svetlobe in velike vrednosti efektivnega absorpcijskega koeficienta pri valovnih dolžinah pri energijah, manjših od pasovna vrzel Pri filmih, nanesenih iz raztopine, leži rob optične absorpcije v istem območju valovnih dolžin kot pri masivnih kristalih kadmijevega sulfida. Vendar pa ima zaradi difuznega sipanja svetlobe z drobnozrnatimi filmi spektralna odvisnost absorpcijskega koeficienta v tem območju veliko bolj ravno in gladko obliko.

3.2.7.4 Zlitine folije ...

Na strukturne, električne in optične lastnosti zlitin najbolj vpliva njihova sestava. Zlitine se pridobivajo z vakuumskim izhlapevanjem, pulverizacijo, ki ji sledi piroliza, in ionskim razprševanjem. Praviloma tvorijo trdno raztopino v celotnem možnem območju svojih relativnih koncentracij, ne glede na način nanosa pa pri koncentracijah do zlitinskih filmov kristalizirajo v strukturi wurtzita. Če koncentracija presega 80 %, imajo filmi strukturo kubičnega sfalerita. Pri koncentraciji filmi kristalizirajo v obeh navedenih strukturnih modifikacijah. V primeru nanašanja filma z vakuumskim izhlapevanjem pri nižji koncentraciji se oblikuje wurtzitna kristalna mreža z osjo c, pravokotno na ravnino substrata.

Vankar in drugi so ugotovili, da vrsto kristalne strukture in parametre rešetke filmov, proizvedenih z izparevanjem, v veliki meri določa njihova temperatura nanašanja. Parameter rešetke a se gladko spreminja z variacijami v sestavi filma (glej sliko 3.20, a). Kane in drugi poročajo, da je pri takih sestavah, ko so filmi mešanica wurtzita in kubične faze, razdalja med kristalografskima ravninama (002) heksagonalne strukture in (111) kubične strukture enaka. Zato lahko za katero koli sestavo zlitine kubično strukturo označimo z ekvivalentnima parametroma a in c heksagonalne celice, ki ju določimo z izračunom. Obstoj povezave med parametri kristalne rešetke zlitin in temperaturo nanašanja je kvalitativno razložen z odstopanjem njihove sestave od stehiometrije zaradi presežka kovinskih atomov.

Pridobljeno s pulverizacijo, ki ji sledi piroliza, se gladko spreminja glede na sestavo. Tako naneseni zlitinski filmi predstavljajo edino kristalno fazo (heksagonalno ali kubično), katere tip je določen s sestavo filmov. V nasprotju s filmi zlitin, nanesenimi z vakuumskim izparevanjem, lastnosti kristalne strukture filmov, pridobljenih s prašenjem, niso odvisne od temperature nanosa. Ko je koncentracija cinka manjša od filmov

riž. 3.20. d) Odvisnost optične vrzeli v filmih od parametra .

pulverizacija, je razmerje vrednosti njihove električne prevodnosti v prisotnosti in odsotnosti osvetlitve 104 za filme čistega kadmijevega sulfida in 1 za filme čistega cinkovega sulfida. Ti rezultati so predstavljeni na sl. 3.20 b. Temna upornost teh filmov narašča z naraščajočo koncentracijo. Zaradi žarjenja se upornost zlitin zmanjša; v tem primeru, kot je razvidno iz sl. 3,20 V je učinek žarjenja največji pri čistih filmih in je zanemarljiv pri

Kar zadeva optične lastnosti filmov zlitin, se gladko spreminjajo z variacijami sestave. Filmi katere koli sestave so polprevodniki z "neposredno vrzeljo" in odvisnost pasovne vrzeli od sestave med prehodom iz čistega v čisto, kot izhaja iz sl. 3,20g, drugačen od linearnega. Opaženo povečanje prepovedanega pasu z naraščajočo koncentracijo v zlitini prispeva k povečanju napetosti odprtega tokokroga sončnih celic na podlagi

Tradicionalno se je kadmijev sulfid uporabljal kot barvilo. To je mogoče videti na platnih tako velikih umetnikov, kot so Van Gogh, Claude Monet, Matisse. V zadnjih letih je zanimanje zanj povezano z uporabo kadmijevega sulfida kot filmske prevleke za sončne celice in v fotoobčutljivih napravah. Za to spojino je značilen dober ohmski stik z mnogimi materiali. Njegov upor ni odvisen od velikosti in smeri toka. Zaradi tega je material obetaven za uporabo v optoelektroniki, laserski tehnologiji in LED.

splošen opis

Kadmijev sulfid je anorganska spojina, ki se naravno pojavlja kot redka minerala cinkova blenda in kavliit. Za industrijo niso zanimivi. Glavni vir kadmijevega sulfida je umetna sinteza.

Na videz je ta spojina rumen prah. Odtenki se lahko razlikujejo od limone do oranžno rdeče. Zaradi svetle barve in visoke odpornosti na zunanje vplive se kadmijev sulfid uporablja kot visoko kakovostno barvilo. Snov je široko dostopna že od 18. stoletja.

Kemijska formula spojine je CdS. Ima 2 strukturni obliki kristalov: heksagonalno (wurtzit) in kubično (cinkova mešanica). Pod vplivom visokega pritiska nastane tudi tretja oblika, kot je kamena sol.

Kadmijev sulfid: lastnosti

Material s heksagonalno mrežno strukturo ima naslednje fizikalne in mehanske lastnosti:

• tališče - 1475 ° C;
• gostota - 4824 kg / m 3;
• koeficient linearne ekspanzije - (4,1-6,5) μK -1;
• trdota po Mohsovi lestvici - 3,8;
• temperatura sublimacije - 980 °C.

Ta spojina je neposredni polprevodnik. Pri obsevanju s svetlobo se njegova prevodnost poveča, kar omogoča uporabo materiala kot fotoupora. Pri legiranju z bakrom in aluminijem opazimo učinek luminiscence. Kristali CdS se lahko uporabljajo v polprevodniških laserjih.

Topnost kadmijevega sulfida v vodi je odsotna, v razredčenih kislinah je šibka, v koncentrirani klorovodikovi in ​​žveplovi kislini pa dobra. Dobro topi tudi Cd.

Snov ima naslednje kemijske lastnosti:

• obori, ko je izpostavljen raztopini vodikovega sulfida ali alkalijskih kovin;
• pri reakciji s klorovodikovo kislino nastaneta CdCl 2 in vodikov sulfid;
• pri segrevanju v atmosferi s presežkom kisika oksidira v sulfat ali oksid (to je odvisno od temperature v peči).

potrdilo o prejemu

Kadmijev sulfid se sintetizira na več načinov:

• med interakcijo kadmija in žveplovih hlapov;
• pri reakciji spojin, ki vsebujejo organožveplo in kadmij;
• obarjanje iz raztopine pod vplivom H 2 S ali Na 2 S.

Filmi na osnovi te snovi so izdelani po posebnih metodah:

• kemično obarjanje z uporabo tiokarbamida kot vira sulfidnih anionov;
• prašenje, ki mu sledi piroliza;
• metoda epitaksije z molekularnim snopom, pri kateri se kristali gojijo v vakuumu;
• kot rezultat sol-gel procesa;
• metoda ionskega razprševanja;
• anodizacija in elektroforeza;
• metoda sitotiska.

Za izdelavo pigmenta se oborjeni trdni kadmijev sulfid spere, kalcinira, da dobimo šestkotno kristalno mrežo, in nato zmelje v prah.

Aplikacija

Barve na osnovi te spojine imajo visoko toplotno in svetlobno odpornost. Dodatki selenida, kadmijevega telurida in živosrebrovega sulfida omogočajo spremembo barve prahu v zeleno-rumeno in rdeče-vijolično. Pigmenti se uporabljajo pri izdelavi polimernih izdelkov.

Obstajajo tudi druge uporabe kadmijevega sulfida:

• detektorji (zapisovalniki) osnovnih delcev, vključno z gama sevanjem;
• tankoslojni tranzistorji;
• piezoelektrični pretvorniki, ki lahko delujejo v območju GHz;
• proizvodnja nanožic in cevi, ki se uporabljajo kot luminescentne oznake v medicini in biologiji.

Sončne plošče na kadmijev sulfid

Tankoplastni sončni paneli so eden najnovejših izumov v alternativni energiji. Razvoj te industrije postaja vse bolj nujen, saj se zaloge mineralov, ki se uporabljajo za proizvodnjo električne energije, hitro izčrpavajo. Prednosti sončnih kolektorjev na osnovi kadmijevega sulfida so naslednje:

• nižji stroški materiala pri njihovi izdelavi;
• povečanje učinkovitosti pretvorbe sončne energije v električno (od 8 % pri tradicionalnih vrstah baterij do 15 % pri CdS/CdTe);
• možnost pridobivanja energije v odsotnosti neposrednih žarkov in uporaba baterij v meglenih območjih, na mestih z visoko vsebnostjo prahu v zraku.

Filmi, ki se uporabljajo za izdelavo sončnih celic, imajo debelino le 15-30 mikronov. Imajo zrnato strukturo, katere velikost elementov je 1-5 mikronov. Znanstveniki verjamejo, da bodo tankoplastne baterije v prihodnosti lahko postale alternativa polikristalnim zaradi nezahtevnih delovnih pogojev in dolge življenjske dobe.

Kadmijev(II) oksid

Pri segrevanju na zraku se kadmij vname, pri čemer nastane kadmijev oksid CdO (molekulska masa 128,41). Oksid lahko dobimo tudi s kalciniranjem nitratnih ali karbonatnih soli kadmija. Na ta način dobimo oksid v obliki rjavega prahu, ki ima dve modifikaciji: amorfno in kristalno. Pri segrevanju amorfni oksid postane kristalen, kristalizira v kubičnem sistemu: adsorbira ogljikov dioksid in se obnaša kot močna baza. Toplota transformacije CdO AMORPH CdO CRIST je 540 kal.

Gostota umetno pripravljenega oksida je od 7,28 do 8,27 g/cm 3 . V naravi CdO tvori črno prevleko na galmi z gostoto 6,15 g/cm 3 . Tališče 1385°.

Kadmijev oksid reducirajo vodik, ogljik in ogljikov monoksid. Vodik začne reducirati CdO pri 250-260 ° v skladu z reverzibilno reakcijo:

CdO + H 2 Cd + H 2 O,

Ki se hitro konča pri 300°.

Kadmijev oksid je zelo topen v kislinah in v raztopini cinkovega sulfata po reverzibilni reakciji:

CdO + H 2 O + ZnSO 4 CdSO 4 + Zn (OH) 2.

Kadmijev sulfid

Sulfid (CdS, molekulska masa 144,7) je ena izmed pomembnih spojin kadmija. Topi se v koncentriranih raztopinah klorovodikove in dušikove kisline, v vreli razredčeni žveplovi kislini in v raztopinah železovega železa; na mrazu se slabo topi v kislinah, netopen pa je v razredčeni žveplovi kislini. Topnostni produkt sulfida 1,4·10 -28 . Kristalni sulfid se v naravi pojavlja v obliki grenakita kot primes rudam težkih in barvnih kovin. Lahko ga pridobimo umetno s spajanjem žvepla s kadmijem ali kadmijevim oksidom. Ko je kovinski kadmij spojen z žveplom, razvoj reakcije tvorbe sulfida zavirajo zaščitni filmi CdS. Reakcija

2CdO+3S=2CdS+SO2

se začne pri 283° in prehaja pri 424° z veliko hitrostjo.

Znane so tri modifikacije CdS: amorfna (rumena) in dve kristalni (rdeča in rumena).Rdeča različica kristalnega sulfida je težja (sp. teža 4,5) rumena (sp. teža 3). Amorfni CdS postane kristalen, ko se segreje na 450 °C.

Kadmijev sulfid pri segrevanju v oksidacijski atmosferi oksidira v sulfat ali oksid, odvisno od temperature žganja.

kadmijev sulfat

Kadmijev sulfat (CdSO 4 , molekulska masa 208,47) je bel kristalinični prah, ki kristalizira v ortorombičnem sistemu. Je lahko topen v vodi, vendar netopen v alkoholu. Sulfat kristalizira iz vodne raztopine v monokliničnem sistemu z 8/3 molekulami vode (CdSO 4 8 / 3H 2 O), stabilen je do 74 °, pri višji temperaturi pa se spremeni v enovodni sulfat (CdSO 4 H 2 O) Z zvišanjem temperature se topnost sulfata nekoliko poveča, z nadaljnjim zvišanjem temperature pa se zmanjša, kot je prikazano v tabeli 3:

Tabela 3

Ugotovljen je bil obstoj treh modifikacij sulfata: b, c in d. Po izolaciji zadnje molekule vode pri 200° iz kristalnega hidrata 3CdSO 4 ·8H 2 O nastane b-modifikacija, ki je stabilna do do 500°; z nadaljnjim povišanjem temperature nastane s-modifikacija, ki pri temperaturah nad 735 ° preide v z-modifikacijo. Visokotemperaturne modifikacije (c in d) z ohlajanjem preidejo v b-modifikacijo.