Транспортные процессы и гетеропереходы в твердофазных электрохимических системах - автореферат

36

На правах рукописи

ГОФФМАН ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ

ТРАНСПОРТНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ

В ТВЕРДОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

С БЫСТРЫМ ИОННЫМ ПЕРЕНОСОМ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора химических наук

2000

Актуальность темы диссертации

Суперионные проводники - это твердые тела, обладающие свойством быстрого ионного переноса, для которых характерна высокая ионная проводимость достигающая значений 0.1...100 См/м. Соответственно коэффициенты диффузии подвижных ионов составляют 10»12...108 м2/с. Следует отметить две фундаментальные особенности суперионных проводников, отличающих их от жидких электролитов. Во-первых - перенос заряда осуществляется только одним сортом ионов, все остальные ионы формируют жесткий каркас кристаллической решетки, и их перенос может осуществляться по механизмам точечных дефектов. Во-вторых, суперионные проводники одновременно являются электронными полупроводниками с широкой запрещенной зоной и наличием электронных типов носителей заряда: дырок и электронов. Концентрация последних зависит от наличия местных донорных и акцепторных уровней. Из этого следует, что явление переноса как в объеме суперионного проводника, так и тем более на гетеропереходах в контакте с электролитами зависят от поведения электронных и ионных подсистем и их взаимного влияния. Исследования стационарных и переходных электрохимических процессов в конкретных системах с использованием поликристаллических материалов активно ведутся во всех промышленно развитых странах с целью установления основополагающих закономерностей бурно развивающейся новой отрасли науки - ионики твердого тела, и использования последних в создании преобразователей энергии и информации нового поколения.

Однако до настоящего времени нет работ электрохимического плана, выполненных на монокристаллах. Их отсутствие не позволяет скорректировать отличающиеся на порядки удельные характеристики, полученные исследователями на порошкообразных образцах, и отдать предпочтение наиболее реальным моделям и механизмам, объясняющим явления возникновения суперионного эффекта и функционирования электрохимических систем на их основе.

Поэтому научная работа, в которой поставлены задачи получения монокристаллов в системах на основе AgJ и определения ряда фундаментальных параметров, и их взаимного влияния на транспортные свойства и контактные явления, протекающие на границе с электродами различной природы, является своевременной и важной. Настоящая работа выполнена в лаборатории твердых электролитов ИНХП АН СССР (Черноголовка) и лаборатории «Ионика твердого тела» СГТУ (г. Саратов).

Работы велись в соответствии с координационными планами научных советов РАН «Физическая химия ионных расплавов и твердых электролитов», «Электрохимия и коррозия», а также на хоздоговорной основе в соответствии с тематическими планами производственных объединений «Позитрон» (Минэлектронпром), «Маяк» (Минэлектротехпром), «Сигнал» МАП, Института Общей физики АН СССР и по договорам о творческом сотрудничестве с институтами ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН, МГУ, Латвийским университетом.

Цель работы заключается в установлении фундаментальных закономерностей транспортных свойств в твердофазных электрохимических системах, включающих суперионные монокристаллы с униполярной проводимостью по ионам серебра.

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

* Поиск и исследование систем с целью разработки технологии получения чистых и совершенных монокристаллов на основе AgJ.

* Экспериментальные, исследования термодинамических, электрохимических, оптических свойств.

* Экспериментальные и теоретические исследования особенностей кинетики переноса основных и не основных носителей заряда.

* Экспериментальные и теоретические исследования кинетики аддитивного окрашивания суперионных монокристаллов в парах иода.

Экспериментальное и теоретическое исследование гетеропереходов с чистыми и легированными суперионными проводниками.

Научная новизна и основные защищаемые положения

Впервые поставлена и решена проблема комплексного анализа структурных, оптических, термодинамических, электрохимических свойств суперионных проводников в монокристаллическом состоянии и процессов, протекающих с их участием на гетеропереходах. При этом получены следующие новые научные результаты:

Исследована система MJ-AgJ-CH3COCH3, и на основании полученных результатов разработан оригинальный метод выращивания монокристаллов суперионных проводников Ag4RbJ5, Ag+KJs, AgJ высокой чистоты.

Проведены исследования фазовых переходов. Экспериментально доказано, что фазовый переход в Ag4RbJs при 208К относится к переходам 5 первого рода. Исследована доменная структура, возникающая при температуре ниже 208 К. Показано, что размер доменов фазе определяется температурой и не носит релаксационного характера. Обнаружено, что при фазовом переходе 122К скрытая теплота выделяется в два этапа.

Обнаружен и исследован эффект аддитивного окрашивания монокристаллов AgiRbJs в парах йода. Предложена и экспериментально доказана модель образования центров окраски при нормальных условиях.

Проведены исследования диффузии центров окраски в Ag4RbJ5. Обнаружено влияние аддитивного окрашивания на электронную проводимость.

Проведены исследования процессов диффузии меченых атомов (Ag и J) на монокристаллах AgtRbJs. Получены температурные зависимости коэффициентов диффузии.

Проведены исследования электрохимических закономерностей на гетеропереходах с монокристаллическим суперионным проводником Ag4RbJ5. Обнаружено, что параметры гетероперехода, описывающие кинетику не основных носителей, зависят от кристаллографического направления.

Проведено исследование методом потенциодинамической вольтамперометрии и импеданса монокристалла на границе с обратимыми, инертными и необратимыми электродами. Предложены эквивалентные схемы, удовлетворительно описывающие электрохимическое поведение процессов на гетеропереходах. Рассчитаны энергии активации отдельных стадий электрохимических процессов.

Установлена взаимосвязь структуры, оптических свойств с электрохимическими. Обнаружено влияние дефектности структуры на ионную и электронную составляющие проводимости в диапазоне ОС. температур и концентраций.

Положения работы, выносимые на защиту.

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют вынести на защиту следующие основные научные положения и результаты.

Исследования системы MJ-AgJ-СНзСОСНз и способ получения монокристаллов А&ДЫ5, Ag4KJ5, AgJ.

Термодинамические и оптические характеристики фазовых переходов.

Модель образования центров окраски при воздействии иода на монокристаллы суперионика. Экспериментальное подтверждение предложенной модели. Кинетические характеристики центров окраски и их влияние на проводимость.

Экспериментальные результаты определения параметров гетеропереходов с йодом и йодными комплексами. Установленные закономерности кинетики и механизма электродных процессов, протекающие на гетеропереходах с участием основных носителей заряда.

Экспериментальные результаты определения энергии активации ионной и электронной составляющих проводимости монокристаллов.

Экспериментальные исследования процессов диффузии серебра-ПО, иода-131, центров окраски.

Взаимосвязь между структурными, оптическимии электрохимическими свойствами монокристаллов.

Практическая ценность работы заключается:

В разработке метода и технологии выращивания совершенных, высокой чистоты монокристаллов Ag4RbJ5, Ag4KJ5 из системы MJ-AgJ-СН3СОСН3. Разработанный метод позволяет получать образцы для проведения прецизионных измерений электрических, термодинамических, оптических и других характеристик и материалы высокого качества для изготовления твердотельных функциональных элементов электронной техники. Разработан «метод выращивания монокристаллов AgJ.

В проведении комплекса экспериментальных исследований термодинамических характеристик, характеристик, описывающих кинетику основных и не основных носителей заряда в суперионных кристаллах. Полученные результаты являются справочными и могут быть использованы при определении оптимальных критериев для конструирования преобразователей энергии и информации.

В разработке сенсора для определения концентрации йода в условиях 100% влажности и высокого радиационного поля.

В разработке технологии изготовления сверхъемких конденсаторов, позволившей получить следующие основные характеристики: 1) емкость до 100 Ф; 2) количество циклов заряд-разряд > 150000; 3) ток саморазряда при 398 К < 10 нА, при 298 К < 10 пА.

В разработке количественного метода определения AgJ в составах MJ-AgJ, который может быть использован для контроля соединений на основе AgJ.

В разработке алгоритмов и методов определения параметров сложных электрохимических эквивалентных схем.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на V Всесоюзном совещании по росту кристаллов, на VI, VII, VIII и XI Всесоюзных конференциях по физической химии ионных расплавов и твердых электролитов (Киев, 1976; Свердловск, 1979; Ленинград, 1983; Екатеринбург, 1992), на Международной конференции «Дефекты в диэлектрических кристаллах» (Рига, 1981), на VI Всесоюзной конференции по электрохимии (Москва, 1982), на III Всесоюзном семинаре «Ионика твердого тела» (Вильнюс, 1983), на семинарах в ИФТТ АН СССР (Черноголовка, 1984), в ФТИ им. А.Ф. Иоффе АН СССР (Ленинград, 1983), в ИНХП АН СССР (Черноголовка, 1984), на семинарах Секции Научного Совета АН СССР по физической химии ионных расплавов и твердых электролитов «Ионика твердого тела» в Риге (1981, 1982, 1984, 1985, 1986, 1988), Республиканской конференции «Физика твердого тела и новые области ее применения» (Караганда, 1986, 1990), III Всесоюзном совещании по химическим реактивам «Состояние и перспективы развития ассортимента химических реактивов для важнейших отраслей народного хозяйства и научных исследований» (Ашхабад, 1989), III Всесоюзном симпозиуме «Твердые электролиты и их практическое применение» (Минск, 1990), Conf. «Sensor Tekhno - 93S (St. -Petersburg, 1993), Всероссийской научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Гурзуф, 1994), Всесоюзной конференции «Современные технологии в образовании и науке» (Саратов, 1998, 1999), 12th International conference on solid state ionics (Greece, 1999), 5-м международном совещании.

Основные положения диссертации изложены в 56 публикациях, наиболее важные из которых приведены в автореферате.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов и заключения. Изложена на 302 страницах машинописного текста, включая 129 рисунков и 29 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 335 наименований.

Основное содержание работы

Во введении приводятся обоснование актуальности выбранной темы, цель и задачи работы, рассматриваются научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дается содержание основных положений, выносимых на защиту.

В первой главе систематизированы и представлены наиболее характерные суперионные проводники. Рассмотрены теоретические основы метода исследования гетеропереходов с суперионными проводниками - метод импеданса, метод вольтамперометрии, методы измерения электронной и дырочной проводимостей. Критически разобраны известные методы синтеза и выращивания монокристаллов. Сделан вывод, что перспективной системой для выращивания чистых и совершенных монокристаллов Ag4RbJ5 может быть система MJ-AgJ-СН3СОСН3. Проведен анализ известных результатов исследования ионной проводимости, диффузии, термодинамических свойств суперионных проводников. Отмечено, что подавляющее число исследований выполнено на поликристаллических образцах, чистоту и фазовый состав которых в большинстве случаев не определяли. Глава завершается обсуждением основных направлений исследования и выбором объектов.

Во второй главе приведено описание методов исследований суперионных проводников, гетеропереходов. Приводятся результаты исследования систем для получения монокристаллов. Описан способ получения монокристаллов.

Для изучения системы и идентификации кристаллизующихся фаз измеряли температурные зависимости растворимости и плотности раствора (метод взвешивания кварцевого эталона в растворе). Для идентификации кристаллизующихся фаз были применены визуальный политермический анализ в малых объемах, рентгенофазовый анализ (ДРОН-2), дифференциально-термический и термовесовой анализы (дериватограф Q-1500D). Изучены: огранка кристаллов (гониометр ZRG3), плотность кристаллов (метод гидростатического взвешивания в толуоле). Для выращивания чистых кристаллов разработаны методы очистки AgJ и смеси RbJ-AgJ. Для определения чистоты и состава кристаллизующихся фаз разработаны методы определения AgJ и J2 в составах RbJ-AgJ.

Спектры поглощения изучали с помощью двухлучевого спектрометра «Specord UV-VIS» и спектрофотометра «СФ-16», тепловые эффекты измеряли дифференциальным сканирующим калориметром «DSC-III» и вакуумным адиабатическим калориметром. Для возбуждения люминесценции использовали импульсный лазер ЛГИ-21 (337 нм). Исследование вращения плоскости поляризации проводили с помощью спектрополяриметра, позволяющего определять угол с точностью 0,1°.

Эффективную концентрацию иода в кристаллах определяли методом экстрагирования (растворитель - четыреххлористый углерод).

Исследование процессов диффузии меченых атомов

Измерения активности исследуемых образцов и снятых слоев проводили с помощью одноканального пересчетного прибора ПС02-2еМ и унифицированного сцинтилляционного блока детектирования типа БДБСЗ-leM с кристаллом NaJ(Tl). Радиоактивный препарат наносили в виде раствора, идентичного ростовому раствору, но включающего в себя Ag или,31J. Слои снимали шлифованием.

Концентрацию центров окраски в тонких слоях, при диффузионных исследованиях, определяли с помощью микрофотометра МФ-2. При исследовании интегральной оптической плотности - на спектрофотометре СФ-4.

Измерения импеданса

Измерения частотных зависимостей R, С гетеропереходов проводили с помощью моста переменного тока Р568 в диапазоне 0,04...100 кГц. Колебания температуры в измерительной ячейке не превышали ±0,01 К. Анализ частотных зависимостей R, С импеданса проводили на основе модели релаксации двойного слоя с помощью графоаналитического метода и методом оптимизации.

Метод оптимизации

заключается в компьютерном подборе эквивалентных схем и минимизации нормированной функции ошибок методом сопряженных градиентов и методом Ньютона (табличный процессор Ехсе1). Применялись программы, созданные на языке «Паскаль» и основанные на симплексном методе Нелдера - Мида и на методе Хука - Дживса, отслеживающие локальные и основной минимумы.

Исследования методом потенциодинамической вольтамперометрии проводили с помощью системы, позволяющей автоматизировать работу промышленного потенциостата. В состав системы вошли потенциостат ЕР-21, персональный компьютер, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователь ЕТ1050 (АЦП-ЦАП).

Измерения ионной проводимости проводили 4 - контактным методом на постоянном токе. В качестве источника постоянного тока (гальваностата) использовали универсальный прибор В7-16А в режиме

10 измерения сопротивления. Причем, на пределах xlOOO, xlOO, xlO, xl через исследуемый образец протекал ток 1; 0,1; 0,01 и 0,001 мА соответственно.

Разработка технологии получения монокристаллов Система RbJ-AgJ-CI-bCOCHi исследована в температурном интервале 294...335 К. При температуре 330,7 К в растворе обнаружен фазовый переход, при котором температурный коэффициент растворимости меняет знак (рис.1). Ниже 330,7 К энтальпия растворения отрицательна (-21,7 кДж/моль), выше 330,7 К положительна и равна 75 кДж/моль. В точке перегиба растворимость и плотность раствора максимальны (А = 165,5%, р = 1,68 г/см3).

Фаза III идентифицирована как Rb2AgJ3. Кристаллы Rb2AgJ3 относятся к ромбической сингонии. Параметры элементарной ячейки: а = 20,0 A, b = 10,3 А, с = 4,9 А. Плотность 4,34 г/см3. Ширина запрещенной зоны ~ 3,95 eV. Температура плавления 578 К.

Фаза II идентифицирована как Ag4RbJ5. Монокристаллы Ag4RbJ5 относятся к кубической сингонии. Параметр элементарной ячейки: а =11,24 А. Рентгеновская плотность для четырех формульных единиц равна 5,38 г/ем3, совпадает с плотностью, определенной гидростатическим взвешиванием. Термограмма при нагревании фиксирует один эндотермический эффект при 503 К, который соответствует температуре плавления Ag4RbJ5.

Температурный интервал, при котором можно получить кристаллы Ag4RbJ5, узок (~276 К), поэтому выращивание монокристаллов

проводили в - изотермических условиях при 331...332 К. Скорость роста ~ 0,3 мм/сут. Рост проводили на кристаллизационной установке.

Термодинамические характеристики.

На рис.4 представлена температурная зависимость СР(Т) в интервале температур 10О-250К. Видны два узких максимума при температурах TV = 120.55К и Т2 = 208.26К, соответствующих у-»Р и р-»а переходам. При температуре Т|=120.55К (Р - переход) теплоемкость достигает значений - 2510 Дж/моль К, затем резко падает до величины 258 Дж/моль. К, превышая значение СР(Т) до перехода на 13 Дж/моль. К. В интервале температур 122-180К значение теплоемкости растет линейно с температурой по закону Ср(Т) =258+0.565 (Т - Т,) Дж/моль.К.

Выше температуры 180К начинается нелинейный рост СР(Т), и при Т2 = 208.26К теплоемкость достигает максимального значения - 2510 Дж/моль К, а затем в интервале Т2+0.74К падает до постоянного значения 292 Дж/моль. К, сохраняя его до 305К.

Проведенные квазистатические измерения СР(Т) в области фазовых переходов со скоростями нагрева 0.17 К/мин показали, что при Т) и Т2 фазовые переходы имеют скрытую теплоту перехода, равную 66.15 и 97.78 Дж/моль соответственно, причем при у->р-переходе скрытая теплота выделяется в два этапа с интервалом 0.4К (37.41 и 28.75 Дж/моль). Проведя графическое интегрирование аномальной части СР(Т) в области Ti и Т2, были оценены полная энергия и энтропия каждого перехода

AQt, = 339 ± 0.5 Дж/моль,AQtz = 565 ± 0.5 Дж/моль,

AS-n = 2.80 ± 0.29 Дж/моль. К, AS-n = 2.93 ± 0.29 Дж/моль. К.,

Общая энергия и энтропия переходов равна соответственно 4163 и 22.7. Дж/моль К.

Однако, как показали технологические испытания, RbAg4Js находится в метастабильном состоянии и может храниться сколь угодно долго в сухой атмосфере при комнатных температурах.

Наблюдения за перемещением границы фаз (рис.5) с одновременной фиксацией температуры позволили также зарегистрировать гистерезис (1,0 ± 0,2) К оптических свойств кристалла.

Исследование температурной зависимости теплоемкости (динамический режим) при нагревании и охлаждении также указывает на наличие температурного гистерезиса ~1К<ДТ<ЗК. Факт существования температурного гистерезиса позволяет отнести перехода«-»Р к переходам первого рода. При охлаждении кристалла до температуры 208К в нем скачкообразно возникает доменная структура, проявляющаяся в виде системы светлых и темных полос, повернутых друг к другу под углом 120° и перпендикулярных направлениям [ПО], [101], [ОН]. Размер доменов зависит от температуры: при понижении температуры - увеличивается, а при нагревании - уменьшается. Субдоменная структура, возникающая в кристаллах, претерпевших большое число фазовых переходов сопровождается образованием трещин, которые приводят к разрушению кристалла.

Симметрия монокристаллов Ag4RbJ5 описывается энантиоморфными пространственными группами Р4332 (О6) и P4t32 (О7). Отсутствие центра инверсии в этих группах предполагает наличие эффекта вращения плоскости поляризации. Дисперсия угла вращения плоскости поляризации измерена в интервале 435...691 нм и для угла вращения плоскости поляризации получена зависимость

р = 1,945 * 106 А.2 / [А.2 - (251) 2] 2.

Исследование температурной зависимости р показало, что при 206,5К р скачком снижается до нуля. При повышении температуры наблюдается скачкообразное увеличение р от нуля до первоначального значения при температуре 208,5К. Гистерезис р при, фазовом переходе составляет около 2 К, монокристаллы Ag4RbJ в парах иода окрашиваются, причем цвет кристаллов меняется от желтого до фиолетового, в зависимости от концентрации иода в газовой фазе.

Ск(25°С) /Ср = 0,141 ± 0,09; Ск(52°С) /Ср = 0,087 ± 0,004, связывающие эффективную концентрацию иода в кристалле (Ск) и концентрацию иода в растворе (Ср). Из соотношений следует, что иода в кристаллах подчиняется законам идеальных растворов, о чем свидетельствует постоянство коэффициента распределения в интервале 0...3 * 106 моль/см3. При более высокой концентрации кристалл разрушается.

Спектры оптической плотности окрашенных кристаллов были сняты для температурного интервала 30...300К. Смещения максимума полосы поглощения замечено не было. Форма полосы соответствует зависимости

Q = Q0 ехр [-4 (hv - hv0) 2 In 2/W2], где Q - оптическая плотность, зависящая от концентрации центров окраски; hv0=2,93 eV - энергия, соответствующая максимуму полосы поглощения; W=(0,78 ± 0,01) eV - полуширина полосы. Сила осциллятора - 0,15.

Следствием окрашивания Ag4RbJ5 в парах иода в соответствии с механизмом, предложенным в гл.6, является образование на поверхности кристалла слоя AgJ. Изучение спектров поглощения окрашенных кристаллов (Рис.6), позволило обнаружить небольшую узкую полосу 425 нм (2,92 eV). После удаления с окрашенного кристалла поверхностного слоя полоса 425 нм исчезает. Спектр тонкой пленки AgJ содержит идентичную полосу с максимумом 425 нм.

Спектр люминесценции чистой поверхности кристалла представляет собой широкую полосу с максимумом около 390 нм (рис.7). Максимум этой полосы с повышением температуры от 8 до 70 К смещается к 400 нм. При температуре 90 К полоса 390 - 400 нм уже не различима. В а - и Р - фазах спектр состоит лишь из одной линии с максимумом около 426 нм и полушириной ~ 6 нм. Интенсивность этой линии зависит только от состояния поверхности образца. Если поверхность образца чистая, то линия1426 нм отсутствует. Полоса с максимумом около 390 нм близка к положению края поглощения в пленках A&RbJs, а ее температурное смещение соответствует уменьшению запрещенной зоны кристалла при нагревании.

Аддитивное окрашивание кристаллов в парах иода изменяет картину спектра люминесценции. Наряду с полосой 390 нм появляются полосы 425 и 428 нм (рис.7). Шлифование йодированных образцов приводит к их полному исчезновению. Обнаруженные линии 425 и 428 нм совпадают с известными линиями экситонной люминесценции 2Н - и 4Н - политипов AgJ. При изучении спектров поглощения и люминесценции обнаружено, что при аддитивном окрашивании кристаллов AgRbJ в парах йода на их поверхности образуется слой иодида серебра. Температурное изменение ширины запрещенной зоны. Шириной запрещенной зоны считали то значение Eg, при котором изменение оптической плотности D максимально, т.е. при максимуме производной 5D/3E. Как видно из рис.8, смещение края поглощения можно представить тремя линейными участками, причем при фазовых переходах 122 и 209К обнаружены скачки Дшк = 0.018 и ДЕк. = 0,010 eV. Возникающее при фазовом переходе а->Р рассеяние от доменной структуры кристалла приводит к увеличению измеряемого значения оптической плотности кристалла. Поэтому полученное значение ДЕож может быть только занижено относительно истинного значения этой величины. Значение Eg при 298 и 398 К, вычисленные по соотношениям, равны 2,95 и 2,82 eV соответственно.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований процессов, связанных с кинетикой основных носителей заряда.

Исследование процесса диффузии серебра-110 на монокристаллах было проведено в интервале температур 267...369 К двумя методами:

Таблица 1

Коэффициенты уравнения Френкеля для A&RbJs.

Учитывая результаты исследования диффузии серебра в поликристаллических образцах, полученные позднее Лазарусом и др. (1981), и результаты, полученные на моно - и поликристаллах, можно сделать заключение, что в Ag4RbJ5 отсутствует влияние межкристаллических границ на перенос ионов Ag+.

Температурная зависимость ионной проводимости

аТ = (5,5210,09) 103ехр [-(0,10610,001) еУ/кТ] Омсм»1К, полученная на основе изучения гетеропереходов графит/ Ag4RbJ5 и Ag/Ag4RbJ5 методом импеданса, и температурная зависимость

аТ = (4,65+0,03) 103ехр [-(0,100410,0001) еУ/кТ] Ом»1см»К, полученная контактным методом на постоянном токе, незначительно отличаются друг от друга. Следовательно, поляризационные эффекты, возникающие на измерительных контактах, незначительны.

Для предсказания возможного механизма диффузии ионов серебра в Ag4RbJ5 необходимо экспериментальное определение коэффициента Хейвена Hr=d7Ds, где D* - коэффициент диффузии меченых ионов; D5-коэффициент диффузии, вычисленный из значений ионной проводимости по соотношению Эйнштейна ст = Ne2D0/kT, где N - концентрация носителей тока.

Коэффициент Хейвена, вычисленный по данным работ Бентле и где Da - кондуктометрический коэффициент диффузии ионов Ag+; N - их концентрация, е - величина заряда электрона, d - плотность суперионных проводников. Плотность, вообще говоря, зависит от температуры, но зависимость эта весьма слабая и аппроксимируется уравнением d=5,12exp(0.00117/kT). Поэтому соотношение (1) приводится к виду Т = 5.02*108ехр(-0.00117/кТ).

В то же время прямое сопоставление результатов измерения коэффициента диффузии ионов Ag+ методом радиоактивных индикаторов и электропроводности суперионного проводника приводит к зависимости

D*/oT = 1.46* 10-8exp(+0.011/кТ). Коэффициент Хейвена для ионов Ag+ определяется уравнением

Hr=d7d8 = 0.29ехр(0.012/кТ).

Численные значения Hr в интервале температур 273...373 К меняются от 0,48 до 0,42. Значение HR<1, по-видимому, может говорить о том, что движение ионов Ag+ в Ag4RbJs имеет кооперативный характер.

Исследование субмиллиметровых, колебательных спектров RbAgjJ Показано (рис.9), что при комнатной температуре наблюдается одна линия поглощения на частоте ~ 16 см». Переход из а - в Р-фазу почти никак не сказывается на субмиллиметровых спектрах, вызывая изменение а в точке Т =208 К менее 1%. Диффузное поглощение в а - и р-фазах - это, очевидно, поглощение на свободных носителях - ионах серебра Ag+. Резонансный пик на 16 см-1 обусловлен также движением Ag+, но в этом случае уже их колебаниями в неглубоких локальных потенциальных минимумах. Уменьшение проводимости с понижением температуры в а - и Р-фазах на низких частотах происходит в результате понижения средней энергии тепловых флуктуации, приводящего к уменьшению диффузной подвижности ионов Ag+. Этот процесс сопровождается увеличением времени жизни Ag+ в локальных положениях равновесия, что проявляется в сужении моды на 16 см»1 при охлаждении. Причем, изменение ширины линии и ее интенсивности происходит без изменения частоты. А это означает, что при Р-переходе локальный потенциальный рельеф, в котором находятся ионы Ag+, практически не изменяется.

При переходе в у-фазу расщепление моды не сопровождается изменением низкочастотного значения, т.е. суммарный

диэлектрический вклад отдельных компонент сохраняется. Это означает, что, по крайней мере, большая часть из разрешаемых в низкотемпературной фазе линий появляется просто вследствие снятия вырождения моды 16 см-1. Обращает на себя внимание также и то, что центр тяжести расщепленной линии сохраняет свое положение около 16 см»1. Следовательно, и при Р у-переходе упругость потенциала Ag+ меняется несильно, а резкое уменьшение проводимости происходит за счет нарушения путей диффузии ионов Ag+ в решетке. Окончательно, при Т = 4,2К в спектрах наблюдаются хорошо разрешенные интенсивные линии.

Исследованы спектры динамической проводимости a(v) монокристаллов AgJ в диапазоне частот 3-30 см-1 и интервале температур от комнатной до 630К. В низкотемпературной Р-фазе AgJ наблюдаются спектры o(v), типичные для диэлектрика. В ti-фазе спектры a(v) приобретают две характерные особенности - отличную от нуля статическую проводимость а0 и размытую по частоте линию поглощения, присутствующую в спектрах ниже 30 см-1. Повышение температуры в а-фазе приводит к монотонному росту на всех частотах, который, однако, наиболее быстро происходит в статике, в результате чего при высоких температурах проводимость в AgJ приближается к частотно-независимой.

На основании спектров вычислено, что при Т = 523 К ~ 60% Ag+ являются трансляционно подвижными. Соответствующие значения подвижности ионов и коэффициент диффузии составляют 1*10»»3см2/(В. с) и 4.8*10»5 см2/с. Для случая, когда 100% Ag+ участвуют в переносе, получаем максимально возможную для AgJ ионную проводимость - a = 2.7. Ом4см».

В пятой главе приведены экспериментальные результаты исследования гетеропереходов с монокристаллами и в качестве сравнения и контроля и с поликристаллическим суперионным проводником.

Гетеропереход графит (монокристалл)

Исследован в интервале 245...323 К. Для грани [ПО] получены температурные зависимости емкости двойного слоя (СО, связанной с ионами серебра, емкости двойного слоя (С2), связанной с ионами не основных носителей, и постоянной Варбурга (W2), связанной с диффузией ионов не основных носителей. Объемная проводимость практически не зависит от кристаллографического направления. В то же время параметры гетероперехода Ci, С2 и W2 закономерно меняются при переходе от граней с большей плотностью к менее плотно упакованным.

Графит/(поликристаллический AgjRbJs) W2 имеет более высокие значения, чем для граней [100], [110], и близкие к величинам W2 для грани [111] монокристалла. Емкости С] и С2 при комнатной температуре превышают соответствующие величины для любой грани кристалла.

Таблица 2. Параметры гетероперехода графит 4К. Ы5 для разных

граней монокристалла при 298 К

Получена температурная зависимость импеданса Варбурга гетероперехода с монокристаллом

W2 = (1.86 ±0.16) 10»2Т*ехр [(0.068±0.010) еУ/кТ] Ом. см2/с1/2 (2) и гетероперехода с поликристаллом

W2 = (3.82 ± 0.01) 10»2Т*ехр [(0.056 ± 0.001) eV/kT] Ом. см2/с1/2. (3)

Параметры гетероперехода Ае/АадКМ/монокристалл), в котором серебро было нанесено вакуумным напылением, изменяются во времени. Установлено, что при этом напыленная пленка с течением времени перестает быть сплошной и исчезает. Это явление может быть связано с фотолитическим разложением Ag4RbJj при напылении или с высокой активностью напыленной пленки. Начальные емкостные параметры при 298К в напыленном варианте выше, чем для других гетеропереходов

(С = 25 мкФ/см2, С2=330 мкФ/см2).

Гетеропереходы с серебром, которое было нанесено в виде тонкой фольги, более устойчивы. Сопротивление переноса ионов через этот гетеропереход при 298К составляет 200...350 Ом*см2. Значения емкостных характеристик С и С2 ниже, чем для гетеропереходов с графитом.

Из исследований гетероперехода Au/AgjRbJs(монокристалл 1 показано, что импеданс на низких частотах определяется пластической деформацией. .

Из анализа температурных зависимостей константы Варбурга W2, характеризующей в модели адсорбционной релаксации двойного слоя (АРДС) диффузионный импеданс не основных носителей заряда,

определим природу этих носителей. Как было показано Е.А. Укше и Н.Г. Букун, в общем случае температурная зависимость постоянной Варбурга должна иметь вид

W/Г = W0exp [Em/2kT] * [l + сеехр(-ЕУкТ)] -3/2, где Се=Со/Сп, Сп - концентрация примесных анионных вакансий; С0ехр(-ЕДТ) - концентрация термических вакансий, Ef и Ет - соответственно энергия образования анионной вакансии и энергия активации прыжка. Отсюда следует, что при низких температурах, когда сеехр(-ЕДТ) 1,

W2/T = W0exp [Em/2kT], а при высоких температурах, когда сеехр(-ЕДТ) 1,

W2/T = W0exp [(0.5Em + 1.5Ef) /kT].

Анализ температурных зависимостей W2 от температуры позволяет определить природу не основных носителей в модели АРДС. Экспериментальные результаты для монокристалла в контакте с серебром в координатах ln(W2/T), 1/Т образуют два линейных участка (рис.10): для температур выше 305.5К -

W2 = (3.09 ± 0.84) 10-4Т*ехр [(0.183 ± 0.007) еУ/кТ] Ом. см2/с,/2, (4) для температур ниже 305.5К

W2 = (1.62 ± 0.11) 10»2Т*ехр [(0.079 ± 0.002) еУ/кТ] Ом. см2/с»2. (5)

В случае поликристаллического образца с Ag-электродами при температурах выше 285К

W2 = (2.33 ±0.44) 10”4T*exp [(0. 190 + 0.005) eV/kT] OM. CM2/c1/2, (6) ниже 285К

W2 = (3.88 ± 0.36) 10»2Т*ехр [(0.063 ± 0.002) еУ/кТ] Ом. см2/с|/2. (7)

Следует отметить, что для ячеек с графитовыми электродами в интервале температур 253...323К наблюдали лишь одну ветвь линейной зависимости. Для монокристалла она отвечала уравнению (2) с энергией активации 0,068 eV, для поликристаллических образцов - уравнению (3) с энергией активации 0,056 eV, что в обоих случаях близко к низкотемпературным ветвям соответствующих зависимостей при серебряных электродах. Из уравнений (2), (3) и (4) - (7) получаем Ет= 0,11...0,16 eV и Ef - 0,07...0,08 eV в зависимости от состояния суперионного проводника и материала электродов. Учитывая численные значения Ет и Ef, а также учитывая соотношение D2 = D02exp [-(Em + Ef) /kT] и зависимость постоянной Варбурга от коэффициента диффузии не основных носителей, вычисляем энергию активации диффузии не основных носителей. Она составляет для диффузии по примесным дефектам 0,11...0,16 eV и для диффузии по собственным дефектам 0, 19...0,25 eV.

Неосновными носителями в Ag4RbJ5 могут быть как ионы Г, так и ионы Rb+. Однако энергии активации диффузии ионов J, полученные на монокристаллах 0,98 eV (интервал 444...501К) и на поликристаллах 0,58 eV (297...413К, Чеботин) существенно больше 0,25eV; полученной из анализа энергетических характеристик Варбурга. Энергия активации диффузии ионов рубидия 0,40 eV (поликристалл, Schroder, 1980). Поэтому не основными носителями, описываемыми импедансом Варбурга, в модели АРДС можно считать ионы рубидия Rb+. Этот вывод согласуется с результатами Н.Г. Букун.

Обнаружен перегиб температурной зависимости ln(RF/T) от 1/Т на границах Ag с поликристаллическими образцами Ag4RbJ5 и смеси (5Ag4RbJ5+Rb2AgT3) (рис.11). Показано, что температура перегиба 288-ЗОО К совпадает с температурой границы термодинамической нестабильности суперионика 300-308К в пределах погрешности. Причем у более мелкодисперсного образца температура перегиба ниже. Близость энергий активации для a-AgJ и высокотемпературных ветвей позволяет говорить об образовании тонкой пленки йодистого серебра на поверхности суперионика в контакте с серебряным электродом. Низкотемпературные ветви с энергией активации 0,083-0,103eV связаны с разложением поверхностных слоев вследствие нестабильности суперионика ниже 288-3Q0K. На монокристалле такого эффекта не наблюдается, по-видимому, вследствие низкой дефектности структуры.

В шестой главе приводятся экспериментальные и теоретические результаты по исследованию кинетики не основных носителей. Предлагается модель центра окраски. Исследуются процессы диффузии ионов йода и центров окраски.

Диффузия ионов йода в монокристаллах изучена для интервала 444...501 К. Для коэффициента диффузии получена зависимость

Dj - = {9,9* 102 ехр [-(0,98±0,08) эВ/кТ] }см2/с.

Учитывая низкое значение энергии активации (-0,58 eV), полученное Чеботиным и др. (1981) для диффузии ионов йода в поликристаллических образцах (интервал 296...413К), можно предположить, что в интервале 296...413К диффузия ионов У обусловлена примесными дефектами, а в интервале 444...501К - собственными.

Приблизительная оценка верхнего значения коэффициента диффузии ионов Г в монокристаллах при 298К позволяет получить значение 4*1016 см2/с. Столь низкое значение коэффициента диффузии говорит о высокой «жесткости» анионной подрешетки в Ag4RbJ5 при комнатной температуре.

Коэффициент диффузии элементарного йода при температуре 418К меньше, чем 2*10»12 см2/с. Однако было замечено, что даже при 298К окраска йода быстро распространяется в глубину кристалла.

Диффузия центров окраски была исследована двумя методами. Первый метод, основанный на измерении скорости обесцвечивания монокристаллических пластинок, позволил получить зависимость

D={2,2* 10»2 ехр [-(0,33±0,02) эВ/кТ] }см2/с.

Вторым методом, заключающимся в анализе распределения концентрации центров окраски в диффузионной зоне (рис.12), получена близкая зависимость.

О={1,1*10»2ехр [-(0,31±0,04) эВ/кТ] }см2/с.

Наиболее вероятным процессом, протекающим на границе кристалла, является

?. *J2 о Г + h + Ag+m + VAg+ о AgJ + h + VAg+,(8)

где h - дырка, Ag+m - ион серебра в поверхностном слое. Окраска кристаллов, появляющаяся при взаимодействии с йодом, таким образом, должна быть приписана центрам окраски, в структуру которых входят дырки. Процесс окрашивания обратим, т.е. на поверхности кристалла дырки не только возникают, но и, при уменьшении концентрации адсорбированного йода, рекомбинируют на ионах йода. При этом образуются атомы и молекулы йода, которые могут десорбироваться. Процесс (8) предполагает образование в поверхностном слое кристалла определенной концентрации дырок. За счет высокой подвижности и за счет градиента концентрации дырки диффундируют в глубину кристалла. Для компенсации отрицательного заряда (заряда ионов йода) и избыточного положительного заряда в объеме кристалла должен возникнуть встречный поток ионов серебра. Аддитивное окрашивание суперионного проводника при комнатной температуре возможно только при высокой подвижности ионов серебра. Снижение коэффициента диффузии Ag+ повлечет за собой и снижение коэффициента диффузии центров окраски. Поэтому аддитивное окрашивание AgjRbJs при комнатной температуре связано с эффектом суперионной проводимости. Прямым следствием аддитивного окрашивания является образование слоя иодида серебра на поверхности, т.е. запорного слоя.

Эффект образования запорного слоя обнаружен при изучении диффузии центров окраски йода через монокристаллическую мембрану.

Проведены исследования гетероперехода (монокристалл Ag4RbJ5 окрашенный в парах йода) /графит при стационарной температуре. Причем монокристалл самопроизвольно обесцвечивался, теряя иод. Серия годографов вектора импеданса Rs,-1/соС5, показана на рис.13. Методом компьютерной оптимизации было показано, что минимальное значение функции ошибок имеет схема с двумя независимыми адсорбционными процессами - первая, отвечающая релаксации ионов Rb+, вторая - дефектов, связанных с центрами окраски (рис.Н. а). Обработка импедансных измерений показывает, что при обесцвечивании растут значения R3 и W3, а С3 снижается (табл.3), и при стремлении концентрации центров окраски к нулю цепь Сз, R3 > W3 блокируется, и мы имеем традиционную цепь, описывающую чистый гетеропереход. Показано, что для гетеропереходов с поликристаллическим супериоником отсутствует адсорбционная емкость в йодной цепи и процесс определяется сопротивлением и диффузионным импедансом Варбурга, т.е. система становится проводящей по постоянному току.

Получены температурные зависимости параметров гетеропереходов графит/ Ag4RbT5(mwiHKpHCTarui) с концентрацией центров окраски 2.1017 и 2» 1018 см-3. Обнаружено, что при увеличении концентрации центров окраски увеличиваются энергии активации для основных энергетических величин. Показано, что энергия активации диффузии ионов иода в области гетероперехода зависит от концентрации иода и меняется от 0,69 до 1,01 eV, что близко к результатам, полученным из диффузии меченого иода. Величина проводимости основных носителей изменяется мало и энергия активации составляет - 0,113 и - 0,106 eV соответственно. Эти значения совпадают со значениями энергии активации не йодированных образцов.

Гетеропереход с йодным комплексом (фенотиазин-т5) обнаруживает подобие поведения W2 на обратимых гетеропереходах с серебром. Температурная зависимость W2 представляет две прямые, одна низкотемпературная - до 300К

W2 = (6.38 ± 1.31) 10-3Ъехр [(0.118±0.005) еУ/к. Т] Ом. см2/с|/2, вторая высокотемпературная - выше 300К

W2 = (1.90 +42. |,8) 10»7Т. ехр [(0.394 ± 0.088) еУ/кТ] Ом. см2/с1/2. В случае с йодными комплексами диффузия ионов. Rb+ затрудняется. Вычислены энергии активации для диффузии до примесным дефектам 0,24 eV и для диффузии по собственным дефектам 0,40 eV. R3 = (7.36 +1<u_4r3) 10-10T. exp [(0.404 ± 0.022) еУ/кТ] Ом. см2/с»2 близки к значениям, полученным с графитово-йодными электродами.

Методом потенциодинамической вольтамперометрии на системах показаны электронно-дырочные процессы, процессы выделения серебра на йодных электродах.

В седьмой главе приведены результаты использования суперионных проводников при построении сенсора на йод и высокоемкого конденсатора - ионистора.

Сенсор для определения концентрации йода разработан для применения в условиях 100% -ной влажности и высокого радиационного поля.

Сенсор представляет собой электрохимическую цепь вида Ni/Ag,AgJ/AgJ/Au /Си. Рабочий диапазон: концентрация йода в газовой среде 10~7...10~4 М. Рабочая температура от 350 до 390К. Доза облучения до 400 кГр. Зависимость быстродействия представлена в табл.4.

Разработана технология изготовления ионисторов на основе разработанных материалов и проведенных исследований, позволившая получить следующие основные характеристики: емкость до 100 Ф; ток саморазряда при 398К < 10 нА, при 298К < 10 пА; количество циклов заряд-разряд > 150000.

Основные результаты и выводы

Впервые изучена система MJ-AgJ-CH3COCH3, где M=Rb, К. Получены растворимости смеси AgJ и MJ в ацетоне. Найдены условия при которых образуется сольват MAg3J42CH3COCH3, чистая фаза AgtMJj или смесь фаз Ag4MJ5 и M2AgJ3> Разработан метод выращивания монокристаллов AgiMJs из раствора RbJ-AgJ-CH3COCH3. Этим методом впервые получены бесцветные, оптически прозрачные

Монокристаллы Ag^RbJs высокой чистоты объемом до 30 см3. Параметр элементарной ячейки для а-фазы а=11,24А. Рентгеновская плотность для четырех формульных единиц равна 5,38 г/см3, проводимость 0,31 Ом» см» при 298К. Разработан метод выращивания монокристаллов Ag4KJs. Этим методом впервые получены оптически прозрачные монокристаллы объемом до 0,13 см3 и с проводимостью 0,33 Ом1 см» при 298К. Из системы AgJ-RbJ-HJ-p0-C3H60 выращены монокристаллы AgJ для оптических исследований.

Исследованы на монокристаллах «фазовые переходы а<->р при 208К и у-» р при 120К. Оптическими и термодинамическими методами показано, что фазовый переход 208К обладает температурным гистерезисом ~1 К, полная энергия и энтропия перехода Р-а равны 565 Дж/моль и 2,93 Дж/моль.К. Сделан вывод, что фазовый переход 208К относится к переходам первого рода. Исследована доменная структура, образующаяся при фазовом переходе а-р. Показано, что в Р - фазе размер доменов определяется температурой и не носит релаксационного характера. Обнаружена субдоменная структура, возникающая в кристаллах, претерпевших большое число фазовых переходов оу. Появление субдоменной структуры сопровождается образованием трещин и разрушением кристалла. Обнаружено, что при фазовом переходе у-р (120К) скрытая теплота выделяется в два этапа с интервалом 0.4К. Полная энергия и энтропия равны 339 Дж/моль и 2,80 Дж/моль. К соответственно. Определена температурная зависимость ширины запрещенной зоны.

Исследованы процессы кинетики основных носителей на монокристаллах. Получены температурные зависимости коэффициента диффузии Ag и проводимости. Энергии активации диффузии 0.093 eV, проводимости 0,106 eV. Найдена корреляция «и определено отношение Хёйвёна (0,48...0,42 для интервала 273...373К). Установлено, что коэффициенты диффузии в моно - и поликристаллических образцах, в пределах погрешности, совпадают.

Показано, что в Ag4RbJs отсутствует влияние межкристаллических границ на перенос ионов Ag+.

Впервые исследован процесс диффузии ионов йода в монокристаллах Ag4RbJ5 с помощью изотопа 13,J. Получена температурная зависимость коэффициента диффузии с энергией активации 0,98eV. Обнаружено влияние йода на монокристаллы A&RbJs и обнаружен эффект их аддитивного окрашивания при нормальных условиях. Установлена корреляция между концентрациями йода в газовой фазе и центров окраски в монокристаллах. Показано, что центрам окраски п ...........