Мікро- та нанорозмірні кристали сульфіду цинку отримані методом високотемпературного синтезу, що самопоширюється

Автор(и)

  • С. В. Козицький Національний університет “Одеська морська академія”, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.18524/0367-1631.2023.61.290948

Ключові слова:

високотемпературний систез, кристали, наночастинки, мікрочастинки

Анотація

В роботі наведені результати, які демонструють, як методом синтезу високотемпературного, що самопоширюється (СВС,  англ. self-propagating high-temperature synthesis) можна отримувати кристали ZnS різних розмірів. Процес СВС можливий за рахунок екзотермічного реагуванні у системах з суміші порошків Zn та S, оскільки виділяється велика кількість тепла (ентальпія утворення, 202 кДж/моль).

Пресовані порошки Zn та S у стехіометричному співвідношенні поміщали в реактор, заповнений Ar або N до тиску P>0.5 МПа. Після ініціювання реакції запалюванням хімічна реакція поширюється по суміші компонентів і ми отримуємо зразок у вигляді зливка. Кристали ZnS з характерним розміром ~ 30 мкм отримані в традиційній твердофазній реакції СВС.

Після проходження хвилі горіння продовжується реагування компонентів паралельно з процесами кристалізації, що викликає утворення активного середовища, де відбуваються процеси самоорганізації. У ряді синтезованих зразків спостерігалися аномально великі кристали - «гігантські» довжиною ~ 1 мм і товщиною 0,1-0,2 мм і структури просторово правильної форми.Можна змінити розмір синтезованих кристалів сульфіду цинку за допомогою диспергатора NH4Cl. При введенні 5 мас.% диспергатора монолітний зразок являє собою полікристалічний ZnS з характерним розміром зерна ~ 40 мкм, а при введенні 7 мас.% розмір зерна зменшився до 20 мкм. При подальшому збільшенні концентрації диспергатора до 10 мас. % синтезований матеріал ставав пухким, а характерний розмір зерен зменшувався до 5-10 мкм. При концентрації понад 10 мас. % утворився порошкоподібний ZnS.

Метод СВС дозволяє отримувати дрібнозернистий ZnS з розміром кристалітів 50¸100 нм (мезорозмірний) та 2¸50 нм (нанорозмірний) двома способами. Перший - полягає в конденсації пари речовини в розрідженій інертній атмосфері. При зміні величини тиску інертного газу в інтервал від 40 до 400 Па у процесі СВС відбувається вихід частини реагентів у вигляді пари з ампули в об’єм реактора. Частинки пара при зіткненні з атомами інертного газу швидко втрачають кінетичну енергію і утворюють частинки розмірами від 2 до 100 нм. Щоб сформувалися частинки потрібного розміру, необхідно підбирати тиск інертного газу в реакторі.

Другий спосіб отримання наночастинок методом СВС вимагає використання інертного розріджувача, що запобігає росту виникаючих частинок. Основна вимога до матеріалу розріджувача це його інертність як до реагентів у шихті, так і до синтезованого матеріалу. Вплив зміни тиску інертного газу на розмір отриманих наночастинок проявляється як безпосередньо, так і опосередковано - через розмір зони конденсації. З підвищенням тиску газу його густина збільшується і прискорюється тепловідвід, при цьому знижується швидкість утворення центрів кристалізації в газовій фазі, але збільшується швидкість росту кристалів, а отже, і розмір частинок, що отримуються.

Форма отриманих цим методом наночастинок залежить від їх розміру: наночастинки розміром <20 нм мають форму, близьку до сферичної, що зумовлено зміною відносного внеску поверхневої енергії в повну енергію наночастинки при зменшенні її розміру. Більші частинки огранені.

Посилання

Мержанов А. Г., Боровинская И. П., Шкиро В. М. Способ синтеза туго-плавких неорганических материалов // А.С.255221 СССР: МКИ4 С 0І G, 1967; Государственный реестр открытий, N287, 1984.

Золотко А. Н., Козицький С. В., Писарський В. П., Поліщук Д. Д. Спосіб отримання полікристалів на основі сульфіду цинка // Патент UA 12086 C3OB 29/48 25/12/96. Бюл. № 4.

Kozytskyi S. V., Kiriian S. V. Properties and behavior of nanoparticles // Фізика аеродисперсних систем. – 2022. – № 60. – С. 15-26.

Kozytskyі S. V., Kiriian S. V. Self-organization of nano-sized metal-containing lubricant additives // Суднові енергетичні установки: Науково-технічний збірник. – 2022. – Вип. 44. – С. 10-17.

Козицький С. В., Кіріян С. В. Властивості наноструктурованих матеріалів // Суднові енергетичні установки: Науково-технічний збірник. – 2022. – Вип. 45. – С. 57-65.

Козицький С. В., Бачеріков Ю. Ю. Дослідження сульфіду цинку, отриманого методом високотемпературного синтезу, що самопоширюється: [монографія] // – Одеса : Астропринт, 2016. – 272 с. ISBN 978-966-927-135-8.

Козицький С. В., Писарський В. П., Поліщук Д. Д. Особливості отримання полікристалів ZnS методом самопоширюваного високотемпературного синтезу // Фізика і хімія твердого тіла – 2003. – Т. 4, № 2. – С. 229-233.

Козицький С. В., Писарський В. П., Поліщук Д. Д. Механізми високо-температурного реагування системи Zn–S та властивості матеріалу // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – 1994. – Т. 30, № 6. – С. 198-202.

Козицкий С. В., Молодецкая И. Э., Писарский В. П., Уланова О. О. Формирование мелкозернистой структуры поликристаллического сульфида цинка, полученного методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза // Инжен. физич. журнал. – 1993. – Т. 65, № 51. – С. 602-606.

Козицкий С. В., Молодецкая И. Э., Писарский В. П., Чаус И. С. и др. Люминофоры на основе ZnS, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с добавлением NH4Cl // Неорганические материалы. – 1993. – Т. 29, № 8. – С. 1061-1064.

Козицкий С. В. Писарский В. П., Уланова О. О. Структура и фазовый состав сульфида цинка, полученного методом СВС // Физика горения и взрыва. – 1998. – Т. 34, № 1. – С. 1-7.

Kozitskii S. V., Krasnov A. N. Formation "qiqantic" crystalls in crystallization of ZnS // J. Crystall Growth. – 1996. – Vol. 165, No. 1. – P. 166-168.

Козицкий С. В., Писарский В. П., Полищук Д. Д., Золотко А. Н., Зубрицкий С. В., Тризна С. Ю., Черкес С. И. Получение методом самораспространяющегося высоко-температурного синтеза сульфида цинка и исследование его свойств // Технолология и конструирование в электронной аппаратуре. – 1995. – № 4. – С. 43-51.

Bacherikov Yu. Yu., Zhuk A. G., Okhrimenko O. B., Kardashov D. L., Kozitskyi S. V., Kidalov V. V. Effect of heating rateon oxidat io nprocess of ine-dispersed ZnS:Mn obtained by SHS // Semi-conductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. – 2015. – Vol. 18, No. 2. – P. 226-229.

Bacherikov Y. Y., Baran N. P., Vorona I. P., Gilchuk A. V., Zhuk A. G., Polishchuk Y. O., Lavorik S. R., Kladko V. P., Kozitskyi S. V., Venger E. F., Korsunska N. E. Structural and optical properties of ZnS:Mn micropowders, synthesized from the charge with a different Zn/S ratio // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. – 2017. – Vol. 28, No. 12. – P. 8569-8578.

Bacherikov Yu. Yu., Vorona I. P., Okhrimenko O. B. et al. Manganese Clusterization in ZnS:Mn, Mg Synthesized by Self-Propagating High-Temperature Synthesis // Semiconductors. – 2020. – Vol. 54, No. 3. – Р. 330-336.

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-12-09

Номер

Розділ

Теплофізика дисперсних систем