Исследование квазитройной системы FeS–Ga2S3–Ag2S по разрезу FeGa2S4–AgGaS2

Аннотация

Интерес к изучению систем, содержащих сульфиды формулой А^IВ^IIIС^VI
2, обусловлен, прежде всего, открывающимися возможностями их практического использования в изготовлении нелинейных оптических приборов, детекторов, солнечных батарей, фотодиодов, люминофоров и др. Поэтому в связи с поиском новых перспективных материалов
на основе тиогаллата серебра и железа целью этой работы является исследование квазибинарного разреза FeGa₂S₄–AgGaS₂ четырехкомпонентной системы Fe–Ag–Ga–S.
Синтез сплавов системы AgGaS₂–FeGa₂S₄ проводили из лигатур с использованием высокой чистоты: железа – 99.995 %, галлия – 99.999 %, серебра – 99.99 % и серы – 99.99 %. Исследование сплавов проводили методами дифференциально-термического, рентгенофазового, микроструктурного анализов, а также измерением микротвердости и определением
плотности.Методами физико-химического анализа впервые изучена и построена Т-x фазовая диаграмма разреза AgGaS₂–FeGa₂S₄, который является внутренним сечением квазитройной системы FeS–Ga₂S₃–Ag₂S. Установлено, что система относится к простому эвтектическому типу. Состав эвтектической точки: 56 мол. % FeGa₂S₄ и Т = 1100 К. На основе исходных компонентов были определены области твердых растворов. Растворимость на основе FeGa₂S₄ и AgGaS₂ при эвтектической температуре достигает до 10 и 16 мол. % соответственно. С уменьшением температуры твердые растворы сужаются и при комнатной температуре составляют на основе тиогаллата железа (FeGa₂S₄) 4 мол. % AgGaS₂,
а на основе тиогаллата серебра (AgGaS₂) 11 мол. % FeGa₂S₄.

ЛИТЕРАТУРА

1. Zhаo B., Zhu S., Li Z., Yu F., Zhu X., Gao D. Growth of AgGaS2 single crystal by descending crucible
with rotation method and observation of properties. Chinese Sci. Bull. 2001; 46(23): 2009–2013. DOI:
https://doi.org/10.1007/BF02901918
2. Горюнова Н. А. Сложные алмазоподобные полупроводники. М.: Сов. радио; 1968. 215 с.
3. Абрикосов Н. Х., Шелимова Л. Е. Полупроводниковые материалы на основе соединений АIVBVI..М.:
Наука; 1975. 195 с.
4. Kushwaha A. K., Khenata R., Bouhemadou A., Bin-Omran S., Haddadi K. Lattice dynamical properties
and elastic constants of the ternary chalcopyrite compounds CuAlS2, CuGaS2, CuInS2, and AgGaS2. Journal
of Electronic Materials. 2017;46(7): 4109–4118. DOI: https://doi.org/10.1007/s11664-017-5290-6
5. Uematsu T., Doi T., Torimoto T., Kuwabata S. Preparation of luminescent AgInS2-AgGaS2 solid solution
nanoparticles and their optical properties. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2010;1(22):
3283–3287. DOI: https://doi.org/10.1021/jz101295w
6. Karaagac H., Parlak M. The investigation of structural, electrical, and optical properties of thermal
evaporated AgGaS2 thin films. J. Thin Solid Films. 2011;519(7): 2055–2061. DOI:
https://doi.org/10.1016/j.tsf.2010.10.027
7. Karunagaran N., Ramasamy P. Synthesis, growth and physical properties of silver gallium sulfi de single
crystals. Materials Science in Semiconductor Processing. 2016;41: 54–58. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.08.012
8. Zhou H., Xiong L., Chen L., Wu L. Dislocations that decrease size mismatch within the lattice leading
to ultrawide band gap, large second-order susceptibility, and high nonlinear optical performance of AgGaS2.
Angewandte Chemie International Edition. 2019;58(29): 9979–9983. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.201903976
9. Li G., Chu Y., Zhou Z. From AgGaS2 to Li2ZnSiS4: Realizing impressive high laser damage threshold
together with large second-harmonic generation response. Journal Chemistry of Materials. 2018;30(3):
602–606. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b05350
10. Yang J., Fan Q., Yu Y., Zhang W. Pressure effect of the vibrational and thermodynamic properties of
chalcopyrite-type compound AgGaS2: A fi rst-principles investigation. Journal Materials. 2018;11(12): 2370.
DOI: https://doi.org/10.3390/ma11122370
11. Paderick S., Kessler M., Hurlburt T. J., Hughes S. M. Synthesis and characterization of AgGaS2
nanoparticles: a study of growth and fl uorescence. Journal Chemical Communications. 2018;54(1): 62–65.
DOI: https://doi.org/10.1039/C7CC08070K
12. Kato K., Okamoto T., Grechin S., Umemura N. New sellmeier and thermo-optic dispersion formulas
for AgGaS2. Journal Crystals. 2019;9(3): 129–135. DOI: https://doi.org/10.3390/cryst9030129
13. Li W., Li Y., Xu Y., Lu J., Wang P., Du J., Leng Y. Measurements of nonlinear refraction in the mid-infrared
materials ZnGeP2 and AgGaS2. Journal Applied Physics B. 2017;123(3). DOI:
https://doi.org/10.1007/s00340-017-6643-9
14. Jahangirova S. K., Mammadov Sh. H., Ajdarova D. S., Aliyev O. M., Gurbanov G. R. Investigation of
the AgGaS2–PbS and some properties of phases of variable composition. Russian Journal of Inorganic
Chemistry. 2019;64(9): 1169–1171. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036023619090092
15. Asadov S. M., Mustafaeva S. N., Guseinov D. T. X-ray dosimetric characteristics of AgGaS2 single
crystals grown by chemical vapor transport. Inorganic Materials. 2017;53(5): 457–461. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020168517050028
16. Mys O., Adamenko D., Skab I., Vlokh R. Anisotropy of acousto-optic fi gure of merit for the collinear
diffraction of circularly polarized optical waves at the wavelength of isotropic point in AgGaS2 crystals.
Ukrainian Journal of Physical Optics. 2019;20(2): 73–80.
DOI: https://doi.org/10.3116/16091833/20/2/73/201
17. Karunagaran N., Ramasamy P. Investigation on synthesis, growth, structure and physical properties
of AgGa0.5In0.5S2 single crystals for Mid-IR application. Journal of Crystal Growth. 2018;483: 169–174.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2017.11.030
18. Ranmohotti K. G. S., Djieutedjeu H., Lopez J., Page A., Haldolaarachchige N., Chi H., Sahoo P., Uher C.,
Young D., Poudeu P. F. P. Coexistence of high-Tc ferromagnetism and n-type electrical conductivity in
FeBi2Se4. J. of the American Chemical Society. 2015;137(2): 691–698. DOI: https://doi.org/10.1021/ja5084255
19. Karthikeyan N., Aravindsamy G., Balamurugan P., Sivakumar K. Thermoelectric properties of layered
type FeIn2Se4 chalcogenide compound. Materials Research Innovations. 2018;22(5): 278–281. DOI:
https://doi.org/10.1080/14328917.2017.1314882
20. Nakafsuji S., Tonomura H., Onuma K., Nambu Y., Sakai O., Maeno Y., Macaluso R. T., Chan J. Y.
Spin disorder and order in quasi-2D triangular Heisenberg antiferromagnets: comparative study of
FeGa2S4, Fe2Ga2S5 and NiGa2S4. Phys. Rev. Letters. 2007;99(1–4): 157–203. DOI:
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.157203
21. Rushchanskii K. Z., Haeuseler H., Bercha D. M. Band structure calculations on the layered compounds
FeGa2S4 and NiGa2S4. J. Phys. Chem. Solids. 2002;63(11): 2019–2028. DOI:
https://doi.org/10.1016/S0022-3697(02)00188-9
22. Dalmas de Reotier P., Yaouanc A., MacLaughlin D. E., Songrui Zhao. Evidence for an exotic magnetic
transition in the triangular spin system FeGa2S4. J. Phys. Rev. B. 2012;85(14): 140407.1–140407.5. DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.85.140407
23. Myoung B. R., Lim J. T., Kim C. S. Investigation of magnetic properties on spin-ordering effects of
FeGa2S4 and FeIn2S4. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017;438: 121–125. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.04.056
24. Asadov M. M., Mustafaeva S. N., Hasanova U. A., Mamedov F. M., Aliev O. M., Yanushkevich K. I., Nikitov
S. A., Kuli-Zade E. S. Thermodynamics of FeS–PbS–In2S3 and properties of intermediate phases. Journal
Defect and Diffusion Forum.2018;385: 175–181. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.385.175
25. Li K., Yuan D., Shen S., Guo J. Crystal structures and property characterization of two magnetic
frustration compounds. Journal Powder Diffraction. 2018;33(3): 190–194. DOI: https://doi.org/10.1017/S0885715618000507
26. Chen B., Zhu S., Zhao B., Lei Y., Wu X., Yuan Z., He Z. Differential thermal analysis and crystal growth
of AgGaS2. Journal of Crystal Growth. 2008;310(3): 635–638. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2007.10.067
27. Sinyakova E. F., Kosyakov V. I., Kokh K. A. Oriented crystallization of AgGaS2 from the melt system
Ag–Ga–S. J. Inorganic Materials. 2009;45(11): 1217–1221. DOI: https://doi.org/10.1134/S0020168509110041
28. Chykhrij S. I., Parasyuk O. V., Halka V. O. Crystal structure of the new quaternary phase AgCd2GaS4
and phase diagram of the quasibinary system AgGaS2–CdS. Journal of Alloys and Compounds.2000;312(1–2):
189–195. DOI: https://doi.org/10.1016/S0925-8388(00)01145-2
29. Olekseyuk I. D., Parasyuk O. V., Halka V. O., Piskach L. V. F., Pankevych V. Z. Romanyuk Ya. E. Phase
equilibria in the quasi-ternary system Ag2S–CdS–Ga2S3. J. Alloys and compounds. 2001;325(10): 167–179. DOI:
https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01361-5
30. Brand G., Kramer V. Phase equilibrium in the quasi-binary system Ag2S–Ga2S3. Mater. Res. Bull.
1976;11(11): 1381–1388. DOI: https://doi.org/10.1016/0025-5408(76)90049-0
31. Лазарев В. Б., Киш З. З., Переш Е. Ю., Семрад Е. Е. Сложные халькогениды в системе Аэ–
Вэээ–СVI. М.: Металлургия; 1993. 229 с.32. Угай Я. А. Введение в химию полупроводников.
М.: Высшая школа; 1975. 302 с.
33. Pardo M. E, Dogguy-Smiri L., Flahaut J., Nguyen H. D. System Ga2S3–FeS Diagramme de
phase — etude cristallographique. Mater. Res. Bull. 1981;16(11): 1375–1384. DOI:
https://doi.org/10.1016/0025-5408(81)90056-8
34. Wintenberger M. About the unit cells and crystal structures of ~MGa2X4 (M = Mn, Fe, Co; X = S,
Se) and ZnAI2S4 Type. In: Proc. VII Int. Conf. on Solid Compounds of Transition Elements, CNRS. Grenoble,
France: IA 14/1-3, 1983.
35. Rustamov P. G., Babaeva P. K., Azhdarova D. S., Askerova N. A., Ailazov M. R. Nature of interaction in
Mn(Fe,Co,Ni)–Ga(In)–S(Se) ternary systems. Azerb. Khim. Zh. 1984;15: 101–103.
36. Raghavan V. Fe-Ga-S (Iron-Gallium-Sulfur). J. Phase Equil. 1998;19: 267–268. DOI: https://doi.org/10.1361/105497198770342319
37. Ueno T., Scott S. D. Phase relations in the Ga-Fe-S system at 900 and 800 C. The Canadian Mineralogist.
2002;40(2): 568–570. DOI: https://doi.org/10.2113/gscanmin.40.2.563
38. Allazov M. R. The system of FeS–GaS–S. Bulletin of Baku State University. 2009;(2): 42-47. Режим
доступа: http://static.bsu.az/w8/Xeberler%20Jurnali/Tebiet%202009%203/42-47.pdf
39. Dogguy-Smiri L., Dung Nguyen Huy, Pardo M. P. Structure crystalline du polytype FeGa2S4 a 1T. Mater.
Res. Bull. 1980;15(7): 861–866. DOI: https://doi.org/10.1016/0025-5408(80)90208-1
40. Hahn H., Klingler W. Unter such ungen uber ternare chalkogenide. I. Uber die, kristall structure
iniger ternaerer sulfi de, die sichvom In2S3 ableiten. Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie.
1950; 263(4): 177–190. DOI: https://doi.org/10.1002/zaac.19502630406
41. Dogguy-Smiri L., Pardo M. P. Etude cristallographique du systeme FeS–Ga2S3. Compt. Rend. Acad.
Sci. 1978;287: 415–418.
42. Аллазов М. Р., Мусаева С. С., Аббасова Р. Ф., Гусейнова А. Г. Области кристаллизации фаз по
изотермическим сечениям систем Fe-Ga-S. Известия Бакинского государственного университета.
2013;(3): 11–14. Режим доступа:
http://static.bsu.az/w8/Xeberler%20Jurnali/Tebiet%20%202013%20%203/11-15.pdf
43. Рзагулуев В. А., Керимли О. Ш., Аждарова Д. С., Мамедов Ш. Г., Алиев О. М. Фазовые рав-
новесия в системах Ag8SnS6–Cu2SnS3 и Ag2SnS3–Cu2Sn4S9. Конденсированные среды и межфазные
границы. 2019;21(4): 544–551. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2019.21/2365