Конденсированные среды и межфазные границы
2024. — Выпуск 4
Содержание:
Сложные халькогениды на основе меди, благодаря разнообразным физическим и физико-химическим свойствам, экологической безопасности и доступности, относятся к числу важнейших функциональных материалов современной техники и технологии. Разработка новых подобных материалов и улучшение прикладных характеристик известных соединений в значительной степени связана с применением подходов, основанных на принципах физикохимического анализа и, в частности, взаимосвязи «состав-структура-свойство». В данном обзоре обобщены имеющиеся данные по фазовым равновесиям в тройных системах Cu-Tl(BIV, BV)-X (BIV-Si, Ge, Sn; BV-As, Sb, Bi; X-S, Se, Te) и термодинамическим свойствам их промежуточных фаз. Рассмотрены также подобные данные для более сложных систем, образующих твердые растворы различных типов замещения на основе известных тройных халькогенидов меди. Значительная часть представленных комплексов взаимосогласованных данных по фазовым равновесиям и термодинамическим свойствам рассмотренных систем получена нашей группой в течение последних 10-15 лет. Несмотря на то, что эти данные охватывают лишь малую часть вышеуказанных систем, они открывают большие возможности для манипуляции состава и структуры, включая стратегию энтропийной инженерии. Авторы считают исключительно важным дальнейшее развитие фундаментальных исследований по фазовым равновесиям и термодинамическим свойствам сложных халькогенидов меди и широкое использование их результатов при выборе составов сплавов для физических измерений.
Ключевые слова
В данной работе представлены результаты многолетних исследований выращивания кристаллов низкотемпературной модификации бората бария β-BaB2O4 (R3e) в четверной взаимной системе Na, Ba, B // O, F. Борат бария β-BaB2O4 является важнейшим нелинейно-оптическим кристаллом УФ диапазона. Ключевым фактором, определяющим реальное качество кристаллов, является выбор оптимального по своим свойствам растворителя. В работе рассмотрены фазовые диаграммы и результаты выращивания кристаллов β-BaB2O4 в нескольких подсистемах указанной четверной взаимной системы. С применением атомистического моделирования предсказаны, а затем и получены экспериментально новые высокобарические модификации, γ-BaB2O4 (P24/n), в структуре которой присутствуют реберносвязанные тетраэдры, и δ-BaB2O4 с предполагаемой симметрией Pa3. Другим объектом, рассмотренным в работе, является твердый раствор с «антицеолитной» структурой, который также кристаллизуется в системе Na, Ba, B // O, F.
Ключевые слова
В основе нестехиометрии тугоплавких соединений с летучим компонентом лежат твердофазные и гетерофазные процессы, а измерения параметров высокотемпературных фазовых превращений часто связаны с ошибками и неточностями. Они возникают по причинам нестабильности как оборудования, так и поведения образца. Для снятия таких ограничений нами были созданы три новых метода физико-химического анализа и на их основе разработан системный подход к исследованию нестехиометрии и внутреннего химического строения дефектных фаз на макро - и микроуровне. Этими методами были высокоскоростной термический анализ, тензиметрический статический метод и стехиографический метод дифференцирующего растворения. Ими измерялись температуры до 2400 °С, давления до 10 атм и нестехиометрия на уровне 10-4 мол. %. В обзоре демонстрируется работоспособность развитой методологии применительно к тугоплавким соединениям LnS, Ln2S3 (Ln = РЗМ), Yb(Ln)14MnSb11, ZrGeO4, Zr3GeO8, MgO, Mg(Ru)O, а также к легколетучим полихалькогенидам РЗМ и ZnMo(W)O4, которые были в виде порошков, крупных кристаллов, спеков и тонких пленок. Для каждого объекта получено фундаментальное знание о пространственно-временной эволюции соединений, ответственной за происхождение и масштаб нестехиометрии. Это сделано через изучение Т-х, р-Т диаграмм и использование стехиографического метода, определяющего фазовую чистоту, микроструктурные включения и пространственную химическую неоднородность индивидуальных фаз на микроуровне. Полученный комплекс новых количественных термодинамических и физико-химических данных о нестехиометрии этих соединений стал основой целевого выбора состава и грамотного проведения процессов кристаллизации, спекания и химического осаждения тонких пленок для реализации направленного синтеза их как материалов с управляемыми свойствами. Обзор написан по приглашению д. х. н., проф., член-корр. Магомед Бабанлы, редактора специального выпуска журнала «Конденсированные среды и межфазные границы» по теме «Физико-химический анализ в материаловедении».
Ключевые слова
В работе проанализированы и, по возможности, согласованы данные по двум большим группам очень необычных в плане строения и свойств неорганических веществ, обозначаемых, как соединения AIIIBVI. Рассмотрены структуры и свойства типичных соединений этих систем – A1IIIB1VI и A2IIIB3VI. Подробно описана взаимосвязь структуры с характером химической связи и организацией стехиометрических вакансий в кристаллических решетках. Для различных модификаций сесквихалькогенидов A2IIIB3VI анализируется генезис структур. Рассматриваются также их превращения друг в друга в связи с процессами упорядочения/разупорядочения стехиометрических вакансий. Для слоистых соединений A1IIIB1VI показываются возможности формирования нанослойных структур, тубуленов, а также интеркалатов. Анализируются перспективы применения как нанослойных покрытий, так и объемных монокристаллов фаз A1IIIB1VI и A2IIIB3VI . Представляемый обзор основан на анализе как литературных данных, так и результатов работ авторов этой статьи и некоторых других сотрудников Воронежского госуниверситета.
Ключевые слова
Проведен и представлен обзор вариантов фазовых диаграмм двойных и тройных систем, образующих четырехкомпонентную систему TiO2-Al2O3-SiO2-ZrO2. Построены пространственные (трехмерные - 3D) компьютерные модели изобарных фазовых диаграмм четырех тройных оксидных систем (и их вариантов, в случае противоречий в исходных данных, полученных разными исследователями), образующих данную четверную систему, а также проведен прогноз геометрического строения ее фазовой диаграммы. Для этого была выбрана технология конструирования модели фазовой диаграммы, как геометрического объекта трехмерного (3D) или четырехмерного (4D) пространства в координатах «состав-температура», сборкой (гипер)поверхностей (нелинейчатых и линейчатых) и/или фазовых областей. В результате: - для системы TiO2-Al2O3-SiO2 рассмотрены возможные варианты строения поверхностей ликвидуса, связанные с различными представлениями об образовании соединений в двойной системе TiO2-Al2O3 (Al2TiO5 плавится конгруэнтно или инконгруэнтно, обладает свойством полиморфизма или нет); - для систем TiO2-Al2O3-ZrO2 и TiO2-SiO2-ZrO2 разработаны 3D-модели фазовых диаграмм при температурах выше 1280 и 1400 °C, соответственно. Ограничения по температурам обоснованы неоднозначностью описания строения субсолидсных областей в ограняющей бинарной системе TiO2-ZrO2; - так как в системе ZrO2-SiO2-Al2O3 основные противоречия связаны с типом фазовой реакции образования циркона (перитектической или перитектоидной), то построена 3D-модель фазовой диаграммы по второму варианту с образованием внутреннего поля ликвидуса, соответствующего первичной кристаллизации ZrSiO4. Для всех четырех систем выведено строение фазовых диаграмм в субсолидусе и показано, что в этих системах с понижением температуры дважды происходит смена триангуляции. Для четверной системы TiO2-Al2O3-SiO2-ZrO2 выведена схема фазовых реакций с участием расплава, включающая шесть пятифазных нонвариантных реакций: две перитектические, две эвтектические и две - квазиперитектические.
Ключевые слова
Системы NaF-RF3 из фторидов натрия и трифторидов редкоземельных элементов являются источниками многих функциональных материалов. Проанализированы данные по фазообразованию и фазовым равновесиям в этих системах. Рассмотрены полиморфизм и морфоторопия фторидов РЗЭ с учетом влияния пирогидролиза. Представлен сводный ряд фазовых диаграмм NaF-RF3 и табулированы координаты нонвариантных равновесий. Данные работ Тома с сотрудниками шестидесятых годов ХХ века представляют в настоящее время только исторический интерес. В этих системах образуются фазы переменного состава α-Na0 5-xR0 5+xF2+2x (cubic, R = Pr-Lu, Y) и β-Na3xR2-xF6 (hexagonal, R = La-Lu,Y) со структурами флюорита и гагаринита соответственно. Кроме того, выявлены твердые растворы на основе трифторидов РЗЭ со структурой LaF3 -тисонита (R = La-Gd) и бертоллидная фаза такой структуры в системе с TbF3. Приведены данные о концентрационной зависимости параметров решетки флюоритовых фаз. Высокотемпературные a-фазы с максимумами на кривых плавления позволяют выращивать монокристаллы из расплава. Наблюдается сложная картина упорядочения этих фаз при понижении температуры. Низкотемпературные синтезы промежуточных фаз в этих системах приводят, в соответствии с правилом ступеней Оствальда, к первоначальному образованию неравновесных фаз флюоритовой структуры, обычно обозначаемых как «α-NaRF4», которые затем сменяются равновесными низкотемпературными гексагональными фазами «β-NaRF4». Гексагональная фаза в системе NaF-YF3, легированная иттербием и эрбием («β-NaYF4:Yb,Er», является одним наиболее эффективных известных ап-конверсионных люминофоров.
Ключевые слова
Тройной сульфид состава Cu 1.1Fe1.9S3, с отношением металл-сера, соответствующим строгой стехиометрии кубанита CuFe2S3, рассмотрен как промежуточная фаза твердого раствора замещения с химическим беспорядком Cu и Fe катионов в упорядоченном анионном каркасе. Предложен новый подход для определения природы этого твердого раствора, изучения его устойчивости и поведения при охлаждении в широком интервале температур и длительности процесса. Для синтеза образца использован процесс контролируемого затвердевания однородного расплава состава Cu31Fe19S3 в квазиравновесных условиях, реализующийся получением затвердевшего зонального слитка и количественных данных о распределении Cu, Fe и S по его длине. Для обнаружения малых структурных и химических изменений использованы методы оптической и электронной микроскопии, электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа, полнопрофильной рентгенографии и дифференцирующего растворения, которые были способны определять фазовое и химическое состояния образцов слитка как на макроуровне, так и с высоким уровнем пространственного разрешения. Стратегия данного подхода выявила, что сульфид состава Cu 1.1Fe1.9S3 является промежуточной фазой системы с конечными членами кубанита CuFe2S3 и халькопирита CuFeS2, что вблизи 930 °С существует гомогенный твердый раствор халькопирита c 5 мол. % кубанита с хаотичным распределением Cu и Fe по существующим кристаллографическим позициям; что при 900 °С твердый раствор халькопирита с 6 мол. % кубанита снимает возникшие напряжения решетки через образование блочной наноструктуры; что в области 900-720 °С существует твердый раствор кубанита с 30 мол. % халькопирита, где внутри кубанитной матрицы состава Cu0.94Fe2S3 равномерно распределены низкоразмерные кластеры со стехиометрией халькопирита. Факторы, управляющие развитием и устойчивостью твердых растворов, обсуждаются с учетом полиморфизма халькопирита. Рассмотрена полезность новых данных для синтеза магнитных наноразмерных Cu-Fe-сульфидных материалов и технологических процессов переработки сульфидных руд, богатых медью.
Ключевые слова
Синтезированы гидраты ß-циклодекстрина состава ß-CDnH2O (n = 11.9-0.9). Полученные соединения исследованы методом рентгенофазового анализа (РФА), который выявил переход от моноклинной элементарной ячейки к орторомбической с уменьшением содержания воды в образцах. Давление насыщенного пара воды гидратов β-CD∙nH2O (n = 10.9-7.0) измерено методом статической тензиметрии с мембранными нуль-манометрами в широком температурном интервале (293-384 К) в условиях квази-постоянного состава гидрата. Измеренное давление пара увеличивается пропорционально росту содержания воды в образцах гидрата. Экспериментальные данные, приведенные к единому составу β-CD-1H2O, были аппроксимированы уравнением ln p(1/T), из которого рассчитаны термодинамические параметры (Δпр НT° и ΔпрST° ) процесса дегидратации гидрата b-циклодекстрина. Полученная информация была использована для оценки энергий связи молекул воды с каркасом β-CD.
Ключевые слова
Система GeTe-SnTe-Bi2Te3 представляет большой интерес в связи с возможностью образования серии катионзамещенных твердых растворов на основе тройных слоистых соединений с тетрадимитоподобной структурой, которые имеют большой потенциал как ценные термоэлектрические материалы и топологические изоляторы. В настоящей работе приведены результаты исследования указанной системы в области составов GeBi2Te4-SnBi2Te4-Bi2Te3 методом порошковой рентгенографии. Особое внимание уделено получению равновесных сплавов. Построено изотермическое сечение фазовой диаграммы при 300 К, которое состоит из четырех однофазных областей, разграниченных тремя двухфазными областями. Рентгеновские дифрактограммы равновесных сплавов были уточнены методом Ритвельда. Полученные дифракционные картины однозначно указывают на наличие непрерывных рядов твердых растворов по разрезам GeBi2Te4-SnBi2Te4, GeBi4Te7-SnBi4Te7 и GeBi6Te10-SnBi6Te10. Определены параметры решетки всех указанных серий твердых растворов и показано, что они линейно увеличиваются с увеличением концентрации Sn.
Ключевые слова
К настоящему моменту не решена проблема физико-химического объяснения кристаллизации плохо растворимого рентгеноаморфного ZrO2∙nH2O в ходе старения под маточным раствором. Имеющиеся литературные данные могут являться ошибочными вследствие непредсказуемого влияния примесных ионов Si4+, Na+ и K+. Данное исследование посвящено установлению закономерностей и особенностей фазообразования, а также изменения адсорбционных свойств ZrO2∙nH2O и функционального состава поверхности ZrO2 в зависимости от длительности старения коагеля ZrO2∙nH2O под маточным раствором в отсутствии примесных ионов. Объектами исследования являлись ZrO2∙nH2O, полученный прямым осаждением при pH = 10 с последующим старением в течение 6-406 ч во фторопластовом реакторе, а также ZrO2, полученный термообработкой соответствующего ZrO2∙nH2O при 500 °С. Исследование свойств ZrO2∙nH2O и ZrO2 проведено методами синхронного термического анализа, рентгеновской дифракции, сканирующей электронной микроскопии, низкотемпературной сорбции N2, термовакуумной ИК-спектроскопии, а также ИК-спектроскопии и термопрограммируемой десорбции молекул-зондов. Показано наличие экстремума фазового состава и адсорбционных свойств ZrO2∙nH2O и ZrO2 при 24-96 ч старения. Впервые установлено, что процесс распада плотных агрегатов первичных частиц, субмикронных и микронных агрегатов и агломератов рентгеноаморфного ZrO2∙nH2O, сопровождающийся появлением краевых ОН-групп, предшествует его кристаллизации под маточным раствором (6-48 ч). В ходе дальнейшего старения (96-406 ч) обнаружена постепенная кристаллизация ZrO2∙nH2O в виде смеси тетрагональной и моноклинной фаз ZrO2 в соотношении 1:1 в результате сращивания первичных частиц ZrO2∙nH2O с участием краевых и мостиковых ОН-групп. Экстремальная зависимость от длительности старения сохраняется для кислотно-основных свойств поверхности ZrO2. При продолжительном старении (более 213 ч) кислотная функция поверхности ZrO2 начинает преобладать вследствие участия основных краевых ОН-групп в сращивании первичных частиц ZrO2∙nH2O. Наблюдаемые изменения обсуждаются с позиции теории ориентированного сращивания нанокристаллов.
Ключевые слова
Для применения в современных электронных устройствах все более привлекательными становятся 2D материалы за счет новых свойств, которые могут возникать из-за уменьшенной размерности и квантового ограничения носителей заряда. Много работ направлено на поиск материалов, характеризующихся слоистой структурой, позволяющих получать химически стабильные атомные слои без поверхностных оборванных связей. Бинарные соединения элементов группы IV (Si, Ge, Sn) и группы V (P, As) образуют слоистые структуры, в которых двумерные слои с ковалентной связью связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса, и с этой точки зрения могут считаться перспективными 2D материалами. Следует, однако, отметить, что получение кристаллов соединений этого класса сопряжено со значительными сложностями из-за высокого давления пара фосфора. Предпринимались попытки получить образцы GeP из растворов-расплавов в олове, что может значительно смягчить условия синтеза. Исследование фазовых равновесий и построение диаграммы состояний тройной системы Ge–P–Sn позволило бы с качественно иных позиций подойти к получению как объемных, так и двумерных образцов фосфида германия, а также определить возможность легирования их оловом. В настоящей работе на основании исследования методом рентгенофазового анализа ряда сплавов тройной системы Ge–P–Sn установлено, что фазовое субсолидусное разграничение диаграммы состояний осуществляют разрезы Sn4P3–Ge, Sn4P3–GeP, Sn3P4–GeP и SnP3–GeP. Состав сплавов отвечал фигуративным точкам пересекающихся разрезов. Предложена схема фазовых равновесий в системе Ge–P–Sn, предполагающая существование нонвариантного перитектического равновесия L+Ge ↔ Sn4P3+GeP и эвтектических процессов L ↔ Ge+Sn+Sn4P3 и L ↔ Sn4P3+GeP+SnP3. Исследование сплавов методом дифференциального термического анализа позволило определить температуры этих процессов, равные 795 К, 504 К и 790 К соответственно. Построена Т-х диаграмма политермического сечения Sn–GeP, которая экспериментально подтверждает предложенную схему.
Ключевые слова
Система Cu-Fe-Ni-S является уникальной по количеству кристаллических фаз с разнообразным сочетанием свойств, что делает ее актуальной для поискового материаловедения. Фазы этой системы слагают типичные ассоциации массивных зональных сульфидных Cu-Ni руд, богатые медью зоны которых характеризуются высокими содержаниями благородных металлов. Поэтому эта система является одной из важнейших для геохимии сульфидов и для металлургии меди и никеля. Существует дефицит количественной информации о равновесных коэффициентах распределения макрокомпонентов и поведении примесей при кристаллизации твердых растворов в области диаграммы плавкости, отвечающей природным рудам или промежуточным продуктам металлургических производств. Поэтому целью работы является получение новых данных о фазовой диаграмме системы Cu-Fe-Ni-S и о формах выделения благородных металлов (Rh, Ru, Ir, Pt, Pd, Ag, Au) в процессе фракционной кристаллизации расплава, имитирующего зональные богатые медью руды платино-медно-никелевых сульфидных месторождений. Проведена квазиравновесная направленная кристаллизация расплава состава (ат. %): Fe 29.20, Ni 5.85, Cu 17.60, S 47, Rh, Ru, Ir, Pt, Pd, Ag и Au по 0.05 каждого компонента. Полученный образец исследовали методами оптической и сканирующей электронной микроскопии, энерго-дисперсионной спектрометрии (СЭМ/ЭДС) и рентгенофазового анализа. Метод дифференциального термического анализа (ДТА) использован для определения температур ликвидуса вдоль пути кристаллизации. Распределение макрокомпонентов по длине цилиндрического слитка показало, что он состоит из пяти первичных зон. Первичные фазы и фазовые ассоциации кристаллизовались из расплава в последовательности: mss / mss + iss / iss / iss + bnss / bnss + pnss, где mss - моносульфидный твердый раствор (FexNi1-x)S1±y, iss - промежуточный твердый раствор (Cu,Fe)S1-x, bnss - борнитовый твердый раствор Cu5±xFe1±xS4±y, pnss - пентландитовый твердый раствор (FexNi1-x)9±yS8. Это свидетельствует о сложном строении диаграммы плавкости в изученной области. Определены температуры кристаллизации mss и iss. Установлен новый тип вторичной (фазовой) зональности, образовавшейся в результате субсолидусных превращений первичных фаз, который может присутствовать в Cu-Ni сульфидных рудах. Определено, что примеси могут растворяться в основных сульфидных фазах, образовывать самостоятельные микрофазы в сульфидной матрице или присутствовать в виде твердых растворов в этих микрофазах. Выявлено, что главными концентраторами Pd являются pn и sug. Ir, Rh и Ru распределяются между mss и pn, а Ag предпочитает bnss. Большинство примесей благородных металлов образуют включения в виде самостоятельных микрофаз: RuS2 Pt3Fe, сплава на основе золота Au*, Pt-Fe-Au сплава, CuIr2S4 самородного Ag. Результаты работы показали, что поведение макрокомпонентов можно описать с помощью коэффициентов распределения, а поведение микрокомпонентов строго не соответствует классической теории фракционной кристаллизации многокомпонентных расплавов с примесями.
Ключевые слова
Имеющиеся данные опровергают распространенный постулат термодинамики, согласно которому лабильные состояния физически не реализуемы, ненаблюдаемы и, таким образом, лишены практического интереса, поскольку переход в стабильное состояние не требует преодоления потенциального барьера, и случайная флуктуация приводит к ускоренному сдвигу системы из первоначального состояния. Хорошо известны ситуации, когда система находится в лабильном состоянии неопределенно долго. Соответствующие состояния не только наблюдаемы, но их можно использовать для создания функциональных материалов. В статье анализируются низкотемпературные фазовые равновесия и поведение спинодалей в ряде бинарных систем, содержащих твердые растворы со структурой флюорита, а именно CaF2-SrF2, CaF2-BaF2, BaF2-RF3 (R = La, Nd), SrF2-LaF3, ZrO2-Y2O3. Тщательное изучение низкотемпературного фазоообразования в системе BaF2-LaF3 позволило выявить распад твердого раствора Ba1-xLaxF2+x с бинодальной кривой. В системе SrF2-LaF3 кривая равновесной растворимости фторида лантана во фтористом стронции выражается в точке перегиба на кривой сольвуса с практически горизонтальной касательной, что практически соответствует точке бифуркации - совпадению критической точки неравновесной бинодали/спинодали с кривой сольвуса. Непрерывный твердый раствор Ba1-xCaxF2, полученный методом механохимии и обладающий высокой фтор-ионной проводимостью, остается в лабильном состоянии неопределенно долго. При нагревании он распадается с экзотермическим эффектом при 420-450 °С. Во всех остальных фторидных системах монокристаллы, выращенные из расплава, годами сохраняют функциональные характеристики материалов фотоники и не проявляют признаков деградации. Очевидно, технологическая стабильность кристаллических образцов перечисленных твердых растворов определяется чрезвычайно низкими величинами коэффициентов диффузии катионов. Системы «падают», но слишком медленно, чтобы это можно было заметить. Тонкая архитектура материалов, находящихся в лабильном состоянии, представляет значительный интерес.
Ключевые слова
Актуальность данного исследования определяется дефицитом достоверной информации по свойствам высокотемпературных материалов для энергетики и авиационно-космической техники. Целью настоящей статьи является термодинамическая оценка стабильности гексаалюминатов магния-РЗЭ REMgAl11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) со структурой магнетоплюмбита - перспективных компонентов термобарьерных покрытий. Оценка выполнена на основании вычисления величин энергии Гиббса реакций разложения гексалюминатов магния-РЗЭ на простые оксиды, а также на алюмо-магниевую шпинель MgAl2O4 и фаз REAlO3 в температурном диапазоне 298-1800 K. Для вычислений использованы данные по термодинамическим свойствам гексаалюминатов, рассчитанные нами из значений теплоемкости, измеренных методом дифференциальной сканирующей калориметрии в интервале 300-1800 К, и литературным величинам по термодинамическим свойствам для простых оксидов, а также MgAl2O4 и REAlO3. Информация по термодинамическим свойствам гексаалюминатов магния-РЗЭ, перспективных термобарьерных материалов, практически отсутствует. Целью статьи является термодинамическая оценка вероятности реакций разложения гексаалюминатов в области высоких температур. На основании опубликованных ранее данных по высокотемпературной теплоемкости соединений состава REMgA-l11O19 (RE = La, Pr, Nd, Sm) рассчитаны температурные зависимости энтропии, изменения энтальпии, которые использованы для оценки энергии Гиббса реакций разложения гексаалюминатов на составляющие оксиды. Температурные зависимости энергии Гиббса четырех возможных реакций разложения гексаалюминатов позволили сделать выводы о термодинамической стабильности в области высоких температур.