Phase Equilibria in the Tl2Te–SiTe2 and Tl2SiTe3–Сd(Hg)Te Systems

Андрій Селезень; Микола Мороз; Юрій Когут; Олександр Смітюх; Василь Кордан; Людмила Піскач

doi:10.15330/pcss.25.3.656-663

Автор(и)

Андрій Селезень Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, Україна
Микола Мороз Національний університет водного господарства та природокористування, Рівне, Україна
Юрій Когут Волинський національний університет імені Лесі Українки, Луцьк, Україна
Олександр Смітюх Волинський національний університет імені Лесі Українки, Луцьк, Україна
Василь Кордан Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
Людмила Піскач Волинський національний університет імені Лесі Українки, Луцьк, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.3.656-663

Ключові слова:

талій телуриди, фазові рівноваги, твердий розчин, рентгенофазовий аналіз, диференційно-термічний аналіз, скануюча електронна мікроскопія

Анотація

Методами рентгенофазового (РФА), диференційно-термічного (ДТА) та спектроемісійного (СЕМ/ЕДС) аналізів проведено експериментальне дослідження фізико-хімічної взаємодії компонентів у халькогенідних системах Tl₂Te – SiTe₂ та Tl₂SiTe₃– Cd(Hg)Te. У квазібінарній системі Tl₂Te – SiTe₂ при співвідношенні компонентів як 10, 33.33, 50 та 66.67 мол.% SiTe₂ спостерігається утворення чотирьох нових тернарних телуридів, які відповідають молекулярним складам: Tl₁₈SiTe₁₁, Tl₄SiTe₄, Tl₂SiTe₃ та Tl₂Si₂Te₅ відповідно. Сполуки Tl₁₈SiTe₁₁ та Tl₂SiTe₃ характеризуються конгруентним типом утворення при 778 та 618 К. Телуриди Tl₄SiTe₄ та Tl₂Si₂Te₅ плавляться інконгруентно при 546 та 584 К відповідно. Методом скануючої електронної мікроскопії у комплексі з енергодисперсною спектроскопією підтверджено якісний та кількісний склад нової тернарної сполуки Tl₁₈SiTe₁₁, що становить Tl₁₈Si_1.09Te_11.06. У системах Tl₂SiTe₃– Cd(Hg)Te інконгруентно утворюються тетрарні сполуки Tl₂CdSiTe₄ та Tl₂HgSiTe₄ при 826 та 738 К відповідно. Сполуки кристалізуються в нецентросиметричній структурі тетрагональної сингонії ПГ I-42m та мають область гомогенності до 5 мол.% зі сторони Tl₂SiTe₃ при 520 К. В інтервалі існування фази складу Tl_2+хCd_1-1.5хSi_1+х/2Te₄, де х = 0.1 періоди гратки при температурі гомогенізуючого відпалу змінюються у діапазоні: а = 8.4121 - 8.4352 Å, а період с = 7.0289 - 7.0026 Å. Встановлено існування твердого розчину на основі тетрарної фази Tl₂HgSiTe₄, протяжність якого змінюється в діапазоні концентрацій Tl_2+хHg_1–1.5хSi_1+х/2Te₄, де х = 0.1, а періоди гратки при цьому змінюються в межах: a = 8.3929 - 8.3972 Å та c = 7.0396 - 7.0122 Å.

Посилання

G. Eulenberger, Darstellung und Kristallstruktur des Dithallium (I) blei (II) tetra- thiogermanats (IV) Tl2PbGeS4, Z. Naturforsch. B. 35, 335 (1980); https://doi.org/10.1515/znb-1980-0315.

O.V. Parasyuk, L.D. Gulay, L.V. Piskach, O.P. Gagalovska, The Ag2S–HgS–GeS2 system at 670 K and the crystal structure of the Ag2HgGeS4 compound, J. Alloys Compd., 336, 213(2002); https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01904-1.

I.D. Olekseyuk, L.V. Piskach, O.Ye. Zhbankov, O.V. Parasyuk, Yu.M. Kogut, Phase diagrams of the quasi-binary systems Cu2S–SiS2 and Cu2SiS3–PbS and the crystal structure of the new quaternary compound Cu2PbSiS4, J. Alloys Compd., 399, 149 (2005); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.03.086.

L.P. Marushko, L.V. Piskach, O.V. Parasyuk, I.D. Olekseyuk, S.V. Volkov, V.I. Pekhnyo, The reciprocal system Cu2GeS3+3CdSe⇔Cu2GeSe3+3CdS, J. Alloys Compd., 473, 94 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.05.073.

C.D. Brunetta, W.C. Minsterman, C.H. Lake, J.A. Aitken, Cation ordering and physicochemical characterization of the quaternary diamond-like semiconductor Ag2CdGeS4, J. Solid State Chem., 187, 177 (2012); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2011.12.032.

M.Yu. Mozolyuk, L.V. Piskach, A.O. Fedorchuk, I.D. Olekseyuk, O.V. Parasyuk, Phase equilibria in the Tl2S–PbS–GeS2 system and crystal structure of Tl0.5Pb1.75GeS4, Chem. Met. Alloys, 5, 37 (2012); http://dx.doi.org/10.30970/cma5.0205.

I. Tsuji, Y. Shimodaira, H. Kato, H. Kobayashi, A. Kudo, Novel Stannite-type Complex Sulfide Photocatalysts AI2 -Zn-AIV-S4 (AI = Cu and Ag; AIV = Sn and Ge) for Hydrogen Evolution under Visible-Light Irradiation, Chem. Mater., 22, 1402 (2010); https://doi.org/10.1021/cm9022024.

C. Wang, S. Chen, J.-H. Yang, L. Lang, H.-J. Xiang, X.-G. Gong, A. Walsh, S.-H. Wei, Design of I2–II–IV–VI4 Semiconductors through Element Substitution: The Thermodynamic Stability Limit and Chemical Trend, Chem. Mater., 26, 3411 (2014); https://doi.org/10.1021/cm500598x.

M.A. McGuire, T.J. Scheidemantel, J.V. Badding, F.J. DiSalvo, Tl2AXTe 4 (A = Cd, Hg, Mn; X = Ge, Sn): Crystal Structure, Electronic Structure, and Thermoelectric Properties, Chem. Mater., 17, 6186 (2005); https://doi.org/10.1021/cm0518067.

C. Rincón, M. Quintero, E. Moreno, Ch. Power, E. Quintero, J.A. Henao, M.A. Macías, Raman spectrum of Cu2CdSnSe4 stannite structure semiconductor compound, Superlattices Microstruct., 88, 99 (2015); https://doi.org/10.1016/j.spmi.2015.08.032.

M.Ya. Valakh, V.O. Yukhymchuk, I.S. Babichuk, Ye.O. Havryliuk, O.V. Parasyuk, L.V. Piskach, A.P. Litvinchuk, Vibrational spectroscopy of orthorhombic Cu2ZnSiS4 single crystal: Low-temperature polarized Raman scattering and first principle calculations, Vib. Spectrosc., 89, 81 (2017); https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2017.01.005.

H. Guo, C. Ma, K. Zhang, X. Jia, Y. Li, N. Yuan, J. Ding, The fabrication of Cd-free Cu2ZnSnS4-Ag2ZnSnS4 heterojunction photovoltaic devices, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 178, 146 (2018); https://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.01.022.

E. Hajdeu-Chicarosh, Variable-Range Hopping Conduction in the Kesterite and Wurtzstannite Cu2ZnGeS4 Single Crystals, Surf. Eng. Appl. Electrochem., 54, 279 (2018); https://doi.org/10.3103/S1068375518030055.

M. Moroz, F. Tesfaye, P. Demchenko, M. Prokhorenko, D. Lindberg, O. Reshetnyak, L. Hupa, Thermal Stability and Thermodynamics of the Ag2ZnGeS4 Compound, Mater. Process. Fundam., 215 (2019); https://doi.org/10.1007/978-3-030-05728-2_20.

Y. Jiang, B. Yao, J. Jia, Z. Ding, R. Deng, D. Liu, Y. Sui, H. Wang, Y. Li, Structural, electrical, and optical properties of Ag2ZnSnSe4 for photodetection application, J. Appl. Phys., 125, 025703 (2019); https://doi.org/10.1063/1.5055895.

H.M. Mohammedi, F. Chiker, H. Khachai, N. Benosman, R. Khenata, R. Ahmed, S.B. Omran, A. Bouhemadou, X. Wang, Structural, optoelectronic, optical coating and thermoelectric properties of the chalcogenides type Kesterite Ag2CdSnX4 (with X=S, Se): A computational insight, Mater. Sci. Semicond. Process., 134, 106031 (2021); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2021.106031.

S. Hasan, S. San, K. Baral, N. Li, P. Rulis, W.-Y. Ching, First-Principles Calculations of Thermoelectric Transport Properties of Quaternary and Ternary Bulk Chalcogenide Crystals, Materials. 15, 2843 (2022); https://doi.org/10.3390/ma15082843.

J.-H. Zhang, D.J. Clark, A. Weiland, S.S. Stoyko, Y.S. Kim, J.I. Jang, J.A. Aitken, Li2CdGeSe4 and Li2CdSnSe4 : biaxial nonlinear optical materials with strong infrared second-order responses and laser-induced damage thresholds influenced by photoluminescence, Inorg. Chem. Front., 4, 1472 (2017); https://doi.org/10.1039/C7QI00004A.

J.A. Brant, D.J. Clark, Y.S. Kim, J.I. Jang, J.-H. Zhang, J.A. Aitken, Li2CdGeS4, A Diamond-Like Semiconductor with Strong Second-Order Optical Nonlinearity in the Infrared and Exceptional Laser Damage Threshold, Chem. Mater., 26, 3045 (2014); https://doi.org/10.1021/cm501029s.

S. Azam, S.A. Khan, S. Goumri-Said, Modified Becke–Johnson (mBJ) exchange potential investigations of the optoelectronic structure of the quaternary diamond-like semiconductors Li2CdGeS4 and Li2CdSnS4, Mater. Sci. Semicond. Process. 39, 606 (2015); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.05.068.

O.V. Zamuruieva, M.V. Khvyshchu, O.V. Parasyuk, G.L. Myronchuk, Electric and photoelectric properties of solid solutions Ag2In2Si(Ge)Se6, Phys. Chem. Solid State. 17, 202 (2016); https://doi.org/10.15330/pcss.17.2.202-206.

O.V. Tsisar, L.V. Piskach, O.V. Parasyuk, O.V. Zamurujeva, G.L. Myronchuk, M. Piasecki, Tl2S–In2S3–GeS2 Glass System as Novel Promising Materials for Photonics, Phys. Chem. Solid State. 20, 416 (2019); https://doi.org/10.15330/pcss.20.4.416-422.

G.L. Myronchuk, O.V. Zamurujeva, I.V. Kityk, IR Photoinduced Piezoelectric Effects in Multi-Component Chalcogenides Ag2In(Ga)2Si(Ge)S(Se)6, Phys. Chem. Solid State, 20, 401 (2019); https://doi.org/10.15330/pcss.20.4.401-405.

A.O. Selezen, I.D. Olekseyuk, G.L. Myronchuk, O.V. Smitiukh, L.V. Piskach, Synthesis and structure of the new semiconductor compounds Tl2BIIDIVX4 (BII–Cd, Hg; DIV– Si, Ge; X–Se, Te) and isothermal sections of the Tl2Se–CdSe-Ge(Sn)Se2 systems at 570 K, J. Solid State Chem., 289, 121422 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2020.121422.

R. Černý, J.-M. Joubert, Y. Filinchuk, Y. Feutelais, Tl2Te and its relationship with Tl5Te3, Acta Crystallogr. C, 58, i63 (2002); https://doi.org/10.1107/S0108270102005085.

F. Römermann, Y. Feutelais, S.G. Fries, R. Blachnik, Phase diagram experimental investigation and thermodynamic assessment of the thallium–selenium system, Intermetallics, 8, 53 (2000); https://doi.org/10.1016/S0966-9795(99)00068-0.

R. Mishra, P.K. Mishra, S. Phapale, P.D. Babu, P.U. Sastry, G. Ravikumar, A.K. Yadav, Evidences of the existence of SiTe2 crystalline phase and a proposed new Si–Te phase diagram, J. Solid State Chem., 237, 234 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.02.021.

Materials Data on Tl2Te by Materials Project (2020); https://doi.org/10.17188/1277004.

J.W. Rau, C.R. Kannewurf, Intrinsic absorption and photoconductivity in single crystal SiTe2, J. Phys. Chem. Solids, 27, 1097 (1966); https://doi.org/10.1016/0022-3697(66)90085-0.

A. Assoud, N. Soheilnia, H. Kleinke, Crystal structure, electronic structure and physical properties of the new low-valent thallium silicon telluride Tl6Si2Te6 in comparison to Tl6Ge2Te6, J. Solid State Chem., 179, 2707 (2006); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.05.029.

P. Seller, S. Bell, R.J. Cernik, C. Christodoulou, C.K. Egan, J.A. Gaskin, S. Jacques, S. Pani, B.D. Ramsey, C. Reid, P.J. Sellin, J.W. Scuffham, R.D. Speller, M.D. Wilson, M.C. Veale, Pixellated Cd(Zn)Te high-energy X-ray instrument, J. Instrum., 6, C12009 (2011); https://doi.org/10.1088/1748-0221/6/12/C12009.

T.R. Shojaei, M.A.M. Salleh, K. Sijam, R.A. Rahim, A. Mohsenifar, R. Safarnejad, M. Tabatabaei, Fluorometric immunoassay for detecting the plant virus Citrus tristeza using carbon nanoparticles acting as quenchers and antibodies labeled with CdTe quantum dots, Microchim. Acta, 183, 2277 (2016); https://doi.org/10.1007/s00604-016-1867-7.

W.H. Zachariasen, Die Kristallstruktur der Telluride von Zink, Cadmium und Quecksilber, Norsk Geologisk Tidsskrift, 8, 302 (1926).

I.Y. Borg, D.K. Smith, X-ray diffraction studies on CdTe at high pressure, J. Phys. Chem. Solids, 28, 49 (1967); https://doi.org/10.1016/0022-3697(67)90196-5.

I.M. Baker, Properties of Narrow Gap Cadmium-Based Compounds, EMIS Datareviews Series, 10, 323 (1994).

M. Moroz, F. Tesfaye, P. Demchenko, M. Prokhorenko, Y. Kogut, O. Pereviznyk, S. Prokhorenko, O. Reshetnyak, Solid-state electrochemical synthesis and thermodynamic properties of selected compounds in the Ag–Fe–Pb–Se system, Solid State Sci., 107, 106344 (2020); https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2020.106344.

G.S. Hasanova, A.I. Aghazade, D.M. Babanly, S.Z. Imamaliyeva, Y.A. Yusibov, M.B. Babanly, Experimental study of the phase relations and thermodynamic properties of Bi-Se system, J. Therm. Anal. Calorim., 147, 6403 (2022); https://doi.org/10.1007/s10973-021-10975-0.

M.B. Babanly, Y. A.Yusibov, S.Z. Imamaliyeva, D. M.Babanly, I. J.Alverdiyev, Phase Diagrams in the Development of the Argyrodite Family Compounds and Solid Solutions Based on Them, J. Phase Equilib. Diffus., (2024); https://doi.org/10.1007/s11669-024-01088-w.

L. Akselrud, Y. Grin, WinCSD8: software package for crystallographic calculations (Version 4), J. Appl. Crystallogr., 47, 803 (2014); https://doi.org/10.1107/S1600576714001058.