Характерные свойства для меди и серы: Вопрос № 5 На основе жизненного опыта и используя дополнительную литературу, заполните приведенную ниже таблицу и сравните свойств меди и серы

alexxlab | 14.01.1992 | 0 | Разное

Медь, ее основные свойства и применение

23.09.2020

Медь — один из первых металлов, которые освоил человек. Она входит в структуру всех животных и растений. Как природный минерал, является представителем класса самородных элементов. Чаще встречается с примесью As, Au, Ag, Fe и других элементов, реже — в твердом с ними соединении. Как химическое вещество представляет собой металл повышенной пластичности, быстро покрывающийся оксидной пленкой, приобретая характерный желтовато-красный цвет. При отсутствии такого налета поверхность имеет розовый оттенок. Широкую популярность медь получила благодаря относительно простой технологии производства при небольшой температуре плавления.

Структура, свойства

Минерал в природе встречается в виде всевозможных соединений или самородков. Это могут быть пластинки, нити, сплошные массы, кристаллы, сгустки дендритов, другие соединения. В большинстве случаев ископаемые формирования покрыты тонким слоем малахита (зеленью), азурита (синевой), других элементов, образовавшихся в результате вторичных изменений. Структура кристаллов меди представляет собой кубическую центрированную по граням решетку с координационным числом 12для каждого из шести атомов, расположенных в центре каждой из плоскостей.

Основные свойства

• Цвет. Медь входит в четверку металлов, которые выделяются на фоне других «собратьев» характерным оттенком. Вместо серой либо серебристой поверхности ее фактура отличается желтовато-красным цветом. Он формируется в результате электронных переходов между полуопустошенными четвертыми и наполненными третьими орбитами атомов. Такая энергетическая разница характерна для волн оранжевых оттенков.
• Тепло- и электропроводность. Медь характеризуется повышенными параметрами тепло- и электропроводности, уступив первую позицию лишь серебру. Величина удельной электропроводности колеблется от 55,5 до 58 МСм/м при температуре +20 0С и стандартной влажности.
• Температурное сопротивление. Являясь диамагнетиком, желто-красный металл имеет сравнительно большой коэффициент сопротивления температуре, равный 0,4 %/0С. При этом, он мало изменяется при перепадах в довольно широком диапазоне.

Физико-механические особенности

Медь легко поддается всевозможным методам обработки, хорошо сплавляясь с всевозможными металлами. Наиболее популярными из них являются: мельхиор (с никелем), бронза (с оловом), и латунь (с цинком).

Химические особенности

Важной особенностью меди считается стойкость к коррозии. При стандартных условиях влажности она не окисляется. В то же время избыток влаги приводит к образованию карбоната меди. Хорошо взаимодействуя с серой, селеном и галогенами, пластичный металл не поддается воздействию кислоты.

Технология производства

Чаще всего медь производят из медного колчедана или медного блеска. Эти сульфидные руды являются наиболее распространенными в природе. Производство металла реализуется с использованием двух технологий: пирометаллургической — 90% или гидрометаллургической — 10%.

Пирометаллургическая

Производство меди с использованием пирометаллургического способа предполагает следующие процессы:

• Обогащение. Руда обогащается путем флотации (обработка водой) или окислительного обжига. В первом случае на выходе получают сырье с содержанием нужного элемента 10–35%. Второй вариант применяется, когда в рудном концентрате много серы, но мало меди (до 8–25%). Если минерал содержит 25–35% нужно элемента, его сразу плавят без предварительного обжига.
• Плавка. В зависимости от вида сырья (кусковое или порошкообразное) выполняется плавка в шахтной либо в отражательной печи при +1450 0С.
• Продувка. Чтобы активировать окисление и феррум, выполняется продувка штейна сжатым воздухом. Окислы переводятся в шлак, а сера — в оксид. На выходе получается черновой металл с содержанием до 1,6–0,6% примесей. Для их снижения проводится огневое рафинирование. В результате доля сторонних включений уменьшается до 0,5%.

Гидрометаллургическая

Суть гидрометаллургического способа состоит в обработке сырья слабым раствором серной кислоты. Такая технология применяется для производства меди из бедных руд. Преимуществом этого варианта является возможность получения металла без совместного извлечения из минерала драгоценных элементов.

Медный прокат и его применение

Медный прокат широко востребован в разных сферах, включая электротехнику, машиностроение, строительство, радиоэлектронику, другие отрасли. Основными его видами являются:

• Прутки — длинные изделия, изготовленные в результате холодного деформирования или прессования.
• Листы — плоские заготовки сечением 0,2–25 мм, полученные путем холодного либо горячего катания.
• Шины — разновидность листового проката в виде длинных полос.
• Трубы — полые профили, изготовленные с использованием технологии прессования или холодного деформирования.
• Проволока — тонкие и длинные изделия, полученные в результате многократного волочения прутков.

В качестве сырья для производства проката используются слитки (заготовки) из сплава марок М1, М2 или М3. Они отличаются в основном долей примесей.

Соответственно, часть чистой меди в их структуре занимает не менее 99,9%(М1), 99,7%(М2) либо 99,5%(М3).

← Назад к списку новостей

Оставить заявку

Наша продукция

Медный
прокат

Медные
пластины

Полоса
из меди

Медный
круг

Наши сертификаты

Сварка меди и медных сплавов

Сварка меди и ее сплавов

Свариваемость меди. Медь сваривается плохо из-за ее высокой теплопроводностью и повышенной склонности к образованию трещин при сварке.

Теплопроводность меди при комнатной температуре в шесть раз больше теплопроводности технического железа, поэтому сварки меди и ее сплавов должна производиться с увеличенной погонной тепловой энергией, а во многих случаях с предварительным и сопутствующим подогревом основного металла.

При переходе из твердого состояния в жидкое медь выделяет большое количество теплоты (скрытая теплота плавления), поэтому сварочная ванна поддерживается в жидком состоянии более длительное время, чем при сварке стали. Повышенная водопровиднисть меди затрудняет ее сварки в вертикальном, горизонтальном и особенно в потолочном положениях.

Водород в присутствии кислорода делает негативное воздействие на свойства меди. Водород проникает в медь при повышенных температурах сварки, реагирует с кислородом оксида меди (Сu2О + 2Н Н2О + 2Сu), образует водяной пар, стремясь расшириться, приводит к появлению мелких трещин. Это явление при сварке меди называют «водородной болезнью». Если сваривать медь покрытыми медными электродами без подогрева свариваемого, (с быстрым охлаждением), то возникают горячие трещины.

Однако при сварке с подогревом, создает условия медленного охлаждения, водяной пар в большинстве случаев к затвердевания металла выходит наружу; небольшая часть водяного пара остается между слоем сварочного шлака и поверхностью металла шва. В результате этого поверхность металла шва после удаления еще горячего шлака становится неровной с мелкими углублениями, что можно избежать при очень медленном охлаждении шва и шлака.

Чем больше содержится кислорода в меди, сваривается, тем значительнее оказывается «водородная болезнь».

Примеси в меди мышьяка, свинца, сурьмы, висмута и серы затрудняют сварки. Они практически не растворяются в меди, не образуют с ней легкоплавкие химические соединения, что, находясь в свободном состоянии, располагаются по границам зерен и ослабляют межатомные связи. В результате под действием усадочной растягивающей силы, в процессе охлаждения сварного соединения образуются горячие трещины. Поэтому содержание каждой из вредных примесей (кислорода, висмута, свинца в меди и в сварочных материалах) не должно быть более 0,03%, а для особо ответственных сварных изделий – 0,01%.

Коэффициент линейного расширения меди больше коэффициента линейного расширения железа, в связи с чем сварочные деформации при сварке конструкций из меди и ее сплавов не более, чем при сварке сталей.

Основные виды сварки меди плавлением: дуговая покрытыми электродами; дуговая порошковой проволокой, дуговая в газе, автоматическая дуговая под флюсом, плазменная сварка, газовая сварка и др..

Сварка меди покрытыми металлическими электродами дает удовлетворительное качество в случаях, если медь сваривается, содержит кислорода не более 0,01%. При содержании в меди кислорода в количествах более 0,03% сварные соединения имеют низкие механические свойства.

Для сварки меди применяют покрытые электроды марок К-100 (завод «Комсомолец»), ОМЗ-1 (опытный Московский завод) и др.. Состав электрода марки К-100 следующий: стержень из металла марки М1, покрытие – плавиковый шпат 12,5%, полевой шпат-15%, ферромарганец Мn1, Мn2 – 47,5%, кремнистая медь (73 – 75% меди , 23 – 25% кремния и другой примеси) – 25%.

Сварка ведут в нижнем положении постоянным током обратной полярности. При сварке листов толщиной более 6 мм требуется предварительный подогрев основного металла до 300 – 400 ° С.

Газовая сварка медных листов толщиной до 10 мм выполняется пламенем мощностью 150 дм3 ацетилена /ч на 1 мм толщины металла. Листы

большей толщины сваривают пламенем из расчета 200 дм 3 на 1 мм толщины металла. Сварка лучше делать одновременно двумя горелками с двух сторон восстановительным пламенем, для того чтобы не допускать образования в сварочной ванне оксидов меди. Сварки меди на вуглевоживаючим пламенем не допускаются, так как при этом образуются поры и трещины в шве вследствие образования СО2 и Н2О по реакциям: С + Сn2О-+ С2 + 2Сn; Н2 + Сn2ОН2О + 2Сn.

Шов заполняется за один слой. Многослойное газовая сварка вызывает перегрев металла и трещины в швах. Во избежание перегрева меди, сварки следует вести с высокими скоростями нагрева и охлаждения сварных соединений.

Металл толщиной до 2 мм сваривают встык без присадочного материала, при толщине 3 мм и более применяют скос кромок с углом обработки 90 ° и притуплением 1,5 – 2 мм. Толстые медные листы сваривают встык с разделкой кромок в вертикальном положении одновременно с двух сторон двумя горелками. Присадочный проволокой служит чистая медь или медь с содержанием раскислителей: фосфора – до 0,2% и кремния – до 0,15 – 0,30%. Проволока подбирают диаметрами от 1,5 до 8 мм в зависимости от толщины листов, свариваемых; проволока диаметром 8 мм употребляется для листов толщиной 15 мм и более.

Газовая сварка меди выполняется с флюсами, состоящие в основном из бури.

Высокое качество сварного соединения получают, применяя газофлюсового сварки, при которой порошкообразный флюс засасывается ацетиленом и подается непосредственно в пламя горелки от специальной установки КГФ-2-66.

Использование проковки металла шва (лучше околошовной металла) еще более улучшает механические свойства сварных соединений.

Сварка латуни. Латунь представляет собой сплав меди с цинком, температура плавления латуни 800-1000 С.

При дуговой сварке из латуни интенсивно испаряется цинк; расплавленный металл поглощает водород не успевает выделиться при затвердевании жидкого металла в сварочной ванне, в результате чего в шве образуются газовые поры. Водород попадает в сварочную ванну из покрытия, флюса или воздуха.

Сварка латуней покрытыми электродами находит ограниченное применение, в основном для исправления брака литья. Это объясняется сильным испарением цинка по сравнению прежде всего с газовой сваркой или дуговой под флюсом, или дуговой в защитном газе.

Для дуговой сварки латуни применяют электроды с покрытием вида ЗТ. Состав электрода следующий: стержень с кремниемарганцевои бронзы Бр КМЦ 3-1, содержащий 3% кремния и 1% марганца, покрытие с 17,5% марганцевой руды, 13% плавикового шпата, 16% серебристого графита, 32% ферросилиция 75%-ного , 2,5% алюминия в порошке. Сварка ведется постоянным током при обратной полярности короткой дугой с целью снижения выгорания цинка. От вытекания металла из сварочной ванны стык защищают прокаленной асбестовой подкладкой с обратной стороны стыка. При толщине листов до 4 мм разделки кромок такая же, как и для стали. После сварки шов проковывают, а затем обжигают при 600-650 ° С для выравнивания химического состава и придания металлу мелкозернистой структуры.

Сварка латуни можно выполнять угольным электродом на постоянном токе прямой полярности с применением флюса.

 

Медь – Медь свойства

Чт, 20 октября

Медь – свойства.

Физические, электрические и магнитные, тепловые и термодинамические, оптические, механические, химические, технологические свойства меди. Области применения меди.

Медь входит в состав более чем 200 минералов, однако лишь немногие из них (приблизительно 40) имеют промышленное значение. Важнейшие минералы, входящие в состав медных руд,  халькозин, или медный блеск; халькопирит, или медный колчедан; малахит. Медные руды Д комплексное сырье, помимо меди, содержащее цинк, никель, молибден, кобальт и, кроме того, серу, селен, теллур, индий, германий, свинец, гадолиний, а также серебро и золото. В настоящее время перерабатываются руды, содержащие от 0,7 до 3 % меди. Производство меди основано на переработке сульфидных и окисленных медных руд.

Более 80 % меди получают пирометаллургическим методом, остальные 20 % Д методом гидрометаллургии. При пирометаллургическом методе руды предварительно обогащают, а затем концентрат подвергают собственно пирометаллургическому переделу, состоящему из обжига, плавки и конвертирования. Получаемую черновую медь подвергают огневому или электролитическому рафинированию. Гидрометаллургическая переработка состоит в выщелачивании руды для перевода меди в раствор с последующим осаждением ее из раствора. Гидрометаллургическим методом перерабатывают главным образом бедные окисленные руды и самородную медь. Выщелачиванию подвергают руду в мелкораздробленном состоянии. Реагентами процесса служат обычно раствор серной кислоты или аммиачные растворы. Осаждение меди из ее сернокислых растворов, полученных в результате выщелачивания, производится электролитическим способом (электролиз с нерастворимыми анодами) или цементацией (осаждение железом). При выщелачивании аммиачными растворами после разложения их острым паром медь выделяется в виде СuО. Цементационная медь и медь, полученная разложением аммиачных растворов, поступает на рафинироваиие или переработку на специальные заводы.

• Физические свойства меди
• Электрические и магнитные свойства меди
• Тепловые и термодинамические свойства меди
• Оптические свойства меди
• Механические свойства меди
• Химические свойства меди
• Технологические свойства меди
• Области применения меди

Медь – металл розово-красного цвета, относится к группе тяжелых металлов, является отличным проводником тепла и электрического тока. Электропроводность меди в 1,7 раза выше, чем у алюминия, и в 6 раз выше, чем у железа. Латинское название меди Cuprum произошло от названия острова Кипр, где уже в III в. до н. э. существовали медные рудники и выплавлялась медь. Около II – III в. выплавка меди производилась в широком масштабе в Египте, в Месопотамии, на Кавказе, в других странах древнего мира.

Но, тем не менее, медь – далеко не самый распространенный в природе элемент: содержание меди в земной коре составляет 0,01%, а это лишь 23-е место среди всех встречающихся элементов.
В промышленном производстве и при ремонте узлов техники различного назначения широко применяются сплавы меди – бронза и латунь. По бронзовым сплавам – свойства бронзы, по сплавам меди с цинком (латунь) – свойства латуни, применение латуни. Конечно, наиболее широко в современной промышленности распространено железо и его сплавы – стали, свойства чёрных металлов и свойства стали позволяют, ввиду их относительной дешевизны, во многом заменять более дорогие цветные металлы. Свойства цветных металлов: Aluminium, copper, brass, bronze  на английском языке.

 Получение меди

В природе медь присутствует в виде сернистых соединений, оксидов, гидрокарбонатов, углекислых соединений, в составе сульфидных руд и самородной металлической меди. Наиболее распространенные руды – медный колчедан и медный блеск, содержащие 1-2 % меди. 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % – гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ – это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования. Для обогащения медных руд используется метод флотации (основан на использовании различной смачиваемости медьсодержащих частиц и пустой породы), который позволяет получать медный концентрат, содержащий от 10 до 35 % меди. Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700-800°C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига. После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа . Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20-40 % железа, 22-25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450°C. С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200-1300°C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4 – 99,4 % меди, 0,01 – 0,04 % железа, 0,02 – 0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине. Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0 – 99,7%. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95% ). Электролиз проводят в ваннах, где анод – из меди огневого рафинирования, а катод – из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5-12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах. Кроме этого, существуют технологии получения меди из лома. В частности, путем огневого рафинирования из лома получают рафинированную медь.
По чистоте медь делится на марки: М0 (99,95% Cu), М1 (99,9%), М2(99,7%), М3 (99,5%), М4 (99%). Химические свойства меди
Медь – малоактивный металл, который не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, медь растворяется в сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной). Медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии. Однако, во влажной атмосфере, содержащей углекислый газ, поверхность металла покрывается зеленоватым налетом (патиной). Основные физические свойства меди

Температура плавления °C1084
Температура кипения °C2560
Плотность, γ при 20°C, кг/м³8890
Удельная теплоемкость при постоянном давлении, Ср при 20°C, кДж/(кг•Дж)385
Температурный коэфициент линейного расширения, а•106 от 20 до 100°C, К-116,8
Удельное электрическое сопротивление, р при 20°C, мкОм•м0,01724
Теплопроводность λ при 20°C, Вт/(м•К)390
Удельная электрическая проводимость, ω при 20°C, МОм/м58

Механические свойства меди

Свойства                                            Состояние
                                            Деформированное Отожженное
Предел прочности на разрыв, σ МПа340 – 450220 – 245
Относительное удлинение после разрыва, δ ψ%4 – 645 – 55
Относительное сужение, после разрыва, %40 – 6065 – 80
Твердость по Бринеллю, НВ90 – 11035 – 55

При отрицательных температурах медь имеет более высокие прочностные свойства и более высокую пластичность, чем при температуре 20°С. Признаков холодноломкости техническая медь не имеет. С понижением температуры увеличивается предел текучести меди и резко возрастает сопротивление пластической деформации. Применение меди
Такие свойства меди, как электропроводность и теплопроводность, обусловили основную область применения меди – электротехническая промышленность, в частности, для изготовления проводов, электродов и т. д. Для этой цели применяется чистый металл (99,98-99,999%), прошедший электролитическое рафинирование. Медь обладает многочисленными уникальными свойствами: устойчивостью к коррозии, хорошей технологичностью, достаточно долгим сроком службы, прекрасно сочетается с деревом, природным камнем, кирпичом и стеклом. Благодаря своим уникальным свойствам, с древнейших времен этот металл используется в строительстве: для кровли, украшения фасадов зданий. Срок службы медных строительных конструкций исчисляется сотнями лет. Кроме этого, из меди изготовлены детали химической аппаратуры и инструмент для работы с взрывоопасными или легковоспламеняющимися веществами. Очень важная область применения меди – производство сплавов. Один из самых полезных и наиболее употребляемых сплавов – латунь (или желтая медь). Ее главные составные части: медь и цинк. Добавки других элементов позволяют получать латуни с самыми разнообразными свойствами. Латунь тверже меди, она ковкая и вязкая, потому легко прокатывается в тонкие листы или выштамповывается в самые разнообразные формы. Одна беда: она со временем чернеет. С древнейших времен известна бронза. Интересно, что бронза более легкоплавка по сравнению с медью, но по своей твердости превосходит отдельно взятые чистые медь и олово. Если еще 30-40 лет назад бронзой называли только сплавы меди с оловом, то сегодня уже известны алюминиевые, свинцовые, кремниевые, марганцевые, бериллиевые, кадмиевые, хромовые, циркониевые бронзы. Медные сплавы, так же как и чистая медь, с давних пор используются для производства различных орудий, посуды, применяются в архитектуре и искусстве. Медные чеканки и бронзовые статуи украшали жилище людей с древних времен. До наших дней сохранились изделия из бронзы мастеров Древнего Египта, Греции, Китая. Большими мастерами в области бронзового литья были японцы. Гигантская фигура Будды в храме Тодайдзи, созданная в VIII веке, весит более 400 тонн. Чтобы отлить такую статую, требовалось поистине выдающееся мастерство.

О меди

Среди товаров, которыми торговали в далекие времена александрийские купцы, большой популярностью пользовалась “медная зелень”. С помощью этой краски модницы подводили зеленые круги под глазами – в те времена это считалось проявлением хорошего вкуса. С древних времен люди верили в чудодейственные свойства меди и использовали этот металл при лечении многих недугов. Считалось, что медный браслет, одетый на руку, приносит своему владельцу удачу и здоровье, нормализует давление, препятствует отложению солей. Многие народы и в настоящее время приписывают меди целебные свойства. Жители Непала, например, считают медь священным металлом, который способствует сосредоточению мыслей, улучшает пищеварение и лечит желудочно-кишечные заболевания (больным дают пить воду из стакана, в котором лежат несколько медных монет).

Один из самых больших и красивых храмов в Непале носит название “Медный”. Был случай, когда медная руда стала… виновником аварии, которую потерпело норвежское грузовое судно “Анатина”. Трюмы теплохода, направлявшегося к берегам Японии, были заполнены медным концентратом. Внезапно прозвучал сигнал тревоги: судно дало течь. Оказалось, что медь, содержащаяся в концентрате, образовала со стальным корпусом “Анатины” гальваническую пару, а испарения морской воды послужили электролитом. Возникший гальванический ток разъел обшивку судна до такой степени, что в ней появились дыры, куда и хлынула океанская вода.

БРОНЗА     ЛАТУНЬ

Сульфид меди: свойства, риски и использование

Сульфиды меди Опишите семейство химических и минеральных соединений с формулой Cu _X S _Y . Эти соединения включают экономически важные минералы и синтетические материалы.

Наиболее известные сульфидные минералы меди включают сульфид меди (I) или сульфид меди, химическая формула Cu ₂

S, обнаруженная в минерале калькозин, и сульфид меди (II) или сульфид меди формулы CuS, обнаруженный в минерале ковелите.

Рисунок 1: Структура сульфида меди (I) (слева) и сульфида меди (II) (справа)

Калькозин добывался на протяжении веков и является одним из самых прибыльных минералов меди. Причины связаны с высоким содержанием меди (атомное соотношение 67% и почти 80% по весу) и легкостью, с которой медь можно отделить от серы.

Однако это не основной минерал меди из-за его дефицита. Хотя богатейшие месторождения калькозина уже разрабатывались, вероятно, его добывают до сих пор и, безусловно, будут добывать в будущем (МИНЕРАЛЬНЫЙ ХАЛЬКОЦИТ, 2014).

Рисунок 2: минерал кальцизин.

Ковелита не является распространенным минералом, но его радужное очарование может пленить восхищение любого, кто увидит кристаллы цвета индиго.

Хотя хорошие кристаллы встречаются редко, блеск и цвет этого минерала делают его замечательным (МИНЕРАЛЬНЫЙ КОВЕЛЛИТ, 2014).

Рисунок 3: Минерал ковелит.

В горнодобывающей промышленности минералы борнит или халькопирит, состоящие из смешанных сульфидов меди и железа, часто называют «сульфидами меди».

В химии «бинарный сульфид меди» представляет собой любое бинарное химическое соединение элементов меди и серы. Каким бы ни был их источник, сульфиды меди сильно различаются по составу: 0,5 ≤ Cu / S ≤ 2, включая многочисленные нестехиометрические соединения.

Физические и химические свойства сульфидов меди

Сульфиды меди (I) и (II) имеют сходный внешний вид, оба представляют собой темные, серые или черные кристаллы.

Рисунок 4: внешний вид сульфида меди (II).

Эти соединения можно отличить по их кристаллической структуре. Сульфид меди (I) имеет моноклинную структуру, тогда как сульфид меди (II) имеет гексагональную структуру (Национальный центр биотехнологической информации, С. Ф.).

Имеют молекулярную массу 159,16 г/моль и 95,611 г/моль и плотность 5,6 г/мл и 4,76 г/мл для сульфида меди (I) и (II) соответственно (Национальный центр биотехнологической информации, Сан-Франциско) .

Сульфид меди (I) имеет температуру плавления 1100°C и нерастворим в воде и уксусной кислоте, частично растворим в гидроксиде аммония (Royal Society of Chemistry, 2015).

Сульфид меди (II) имеет температуру плавления 220°C, при которой он разлагается, нерастворим в воде, соляной и серной кислоте и растворим в азотной кислоте, гидроксиде аммония и цианиде калия (Royal Society of Chemistry, 2015).

He перекись водорода Реагирует энергично с сульфидом меди (II) и взрывается при контакте с концентрированным раствором хлористоводородной кислоты или хлоратами кадмия, магния или цинка.

Реактивность и опасности

Сульфиды меди (I) и (II) не классифицируются как опасные, однако они могут быть токсичными при проглатывании из-за образования сероводорода. Симптомы включают рвоту, желудочные боли и головокружение, может вызывать раздражение кожи и глаз, а вдыхание может вызывать раздражение дыхательных путей (ПАСКОТА БЕЗОПАСНОСТИ МАТЕРИАЛА Сульфид меди, 1995).

При нагревании может выделять токсичные пары серы или оксида меди, которые могут нанести вред здоровью.

При попадании в глаза их следует немедленно промыть достаточным количеством воды в течение 15 минут, время от времени поднимая нижнее и верхнее веко.

При попадании на кожу немедленно промыть большим количеством воды в течение 15 минут, сняв загрязненную одежду.

При проглатывании немедленно обратитесь в токсикологический центр. Следует прополоскать рот холодной водой и дать пострадавшему выпить 1-2 стакана воды или молока. Немедленно вызвать рвоту.

При вдыхании пострадавшего следует перенести в прохладное место. Если нет дыхания, сделайте искусственное дыхание (Copper (II) Sulfide, 2009).

Применение

Сульфид меди (I) используется в качестве полупроводников и в фотографии (американские элементы, 1998-2017). Их применение также включает использование в солнечных батареях, светящихся красках, электродах и некоторых видах твердых смазочных материалов (Британника, 2013).

С другой стороны, сульфид меди (II) находит применение в солнечных элементах, суперионных проводниках, фотодетекторах, электропроводящих электродах, устройствах фототермического преобразования, защитном покрытии для микроволнового излучения, активных поглотителях радиоволн, газовых датчиках и поляризаторах излучения Инфракрасное излучение (azom, 2013) .

Также сульфид меди (II) (ковелит) используется при изучении наночастиц:

• С различными производственными процедурами (сольвотермические способы, аэрозольные методы, растворные методы и термолиз)
• И применения (фотокаталитическая деградация, абляция раковых клеток , электродный материал в литий-ионных и газовых батареях, свойства полевой эмиссии, применение суперконденсаторов, фотоэлектрохимические характеристики QDSC, фотокаталитическое восстановление органических загрязнителей, биоэлектрохимическое обнаружение, улучшенные характеристики PEC предварительно нарезанных пленочных электродов CuS) (Umair Шамраиз, 2016).

В работе Geng Ku (2012) было продемонстрировано использование наночастиц полупроводникового сульфида меди (НЧ CuS) для визуализации фотоакустических томографий с помощью Nd:YAG-лазера на длине волны 1064 нм.

НЧ CuS позволял визуализировать мозг мыши после внутричерепной инъекции, лимфатические узлы крысы на глубине 12 мм под кожей после интерстициальной инъекции и агарозный гель, содержащий НЧ CuS, встроенный в грудную мышцу цыпленка На глубину ~ 5 см. Этот подход к визуализации имеет большой потенциал для получения молекулярной картины рака молочной железы.

Ссылки

1. (1998-2017). Сульфид меди (I). Получено с сайта americanelements.com.
2. (2013, 19 апреля). Полупроводники на основе сульфида меди (CuS). Получено с сайта azom.com.
3. Britannica, TE (2013, 23 августа). Медь (Cu). Получено с britannica.com.
4. Медь (II) сульфид. (2009, 23 января). Получено с onboces.org.
5. Гэн Ку, М. З. (2012). Наночастицы сульфида меди как новый класс фотоакустических контрастных агентов для визуализации глубоких тканей на длине волны 1064 нм. САУ Нано 6 (8), 7489-7496.
6. ПАСПОРТ БЕЗОПАСНОСТИ МАТЕРИАЛА Сульфид меди. (1995, ноябрь). Получено с onboces.org.
7. Национальный центр биотехнологической информации. (С.Ф.). База данных соединений PubChem; CID = 14831. Получено с сайта pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
8. Национальный центр биотехнологической информации. (С.Ф.). База данных соединений PubChem; CID = 62755. Получено с сайта pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
9. Королевское химическое общество. (2015). Сульфид меди (II). Получено с сайта chemspider.com.
10. Королевское химическое общество. (2015). Димедь (1+) сульфид. Получено с сайта chemspider.com.
11. МИНЕРАЛ ХАЛЬКОЦИТ. (2014). Получено с сайта galleries.com.
12. МИНЕРАЛЬНЫЙ КОВЕЛЛИТ. (2014). Получено с сайта galleries.com.
13. Умаир Шамраиз Р.А. (2016). Изготовление и применение наноструктур из сульфида меди (CuS). Журнал химии твердого тела, том 238, 25–40.

Загрузка ..

Сера

Зона данных | Открытие | Факты | Внешний вид и характеристики | Использование | Изобилие и изотопы | Ссылки

16

S

32.06

Химический элемент сера классифицируется как халькоген и неметалл. Оно известно с древних времен. Его первооткрыватель и дата открытия неизвестны.

Зона данных

Классификация:	Сера является халькогеном и неметаллом
Цвет:	желтый
Атомный вес:	32.06
Состояние:	твердый
Температура плавления:	115,2 или С, 388,4 К
Точка кипения:	444,7 о С, 717,9 К
Электроны:	16
Протоны:	16
Нейтроны в наиболее распространенном изотопе:	16
Электронные оболочки:	2,8,6
Электронная конфигурация:	1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
Плотность @ 20 o C:	2,07 г/см 3

Реакции, Соединения, Радиусы, Проводимости”>Показать больше, в том числе: Теплота, Энергия, Окисление,
Реакции, Соединения, Радиусы, Проводимости

Атомный объем:	15,5 см 3 /моль
Структура:	S 8 колец
Твердость:	2 месяца
Удельная теплоемкость	0,71 Дж г -1 К -1
Теплота плавления	1,7175 кДж моль -1
Теплота распыления	279 кДж моль -1
Теплота парообразования	9,8 кДж моль -1 из S 2
1 st энергия ионизации	999,6 кДж моль -1
2 nd энергия ионизации	2251 кДж моль -1
3 rd энергия ионизации	3360,6 кДж моль -1
Сродство к электрону	200,4144 кДж моль -1
Минимальная степень окисления	-2
Мин. общее окисление нет.	-2
Максимальная степень окисления	6
Макс. общее окисление нет.	6
Электроотрицательность (шкала Полинга)	2,58
Объем поляризуемости	2,9 Å 3
Реакция с воздухом	энергичный, вес/вт ⇒ SO 2
Реакция с 15 M HNO 3	энергичный, ⇒ H 2 SO 4 , NO x
Реакция с 6 М HCl	нет
Реакция с 6 М раствором NaOH	нет
Оксид(ы)	СО 2 , СО 3
Гидрид(ы)	H 2 S (сероводород)
Хлориды	С 2 Класс 2 , СКл 2
Атомный радиус	100 вечера
Ионный радиус (1+ ион)	–
Ионный радиус (2+ ион)	–
Ионный радиус (3+ ион)	–
Ионный радиус (1-ион)	–
Ионный радиус (2-ионный)	170 вечера
Ионный радиус (3-ионный)	–
Теплопроводность	0,205 Вт·м -1 К -1
Электропроводность	5,0 x 10 -14 S см -1
Температура замерзания/плавления:	115,2 или С, 388,4 К

Отложения серы вокруг кратера вулкана

Большая часть пользы для здоровья от лука и чеснока связана с соединениями серы.

Серные равнины вокруг вулканического спутника Юпитера, Ио. Фото: НАСА

Древняя переработка серы: Серная руда нагревается в котлах, крышки которых плотно прилегают, чтобы ограничить выброс SO ₂ . (Современный предел кратковременного воздействия для SO ₂ составляет 5 частей на миллион. ⁽¹²⁾ ) Жидкая сера собирается под горшками. Георгиус Агрикола, 1556.

Открытие серы

Доктор Дуг Стюарт

Сера известна с древних времен. В Библии его называют серой. Его можно найти в элементарном состоянии вокруг жерл вулканов.

Название могло быть получено из арабского «суфра», что означает желтый, или санскритского «шулбари», что означает враг (ари) меди (шулба). ⁽¹⁾

Вариант на санскрите привлекателен, потому что он несет в себе сообщение о том, что люди знают химию из далекого прошлого: сера действительно легко реагирует со многими металлами, включая медь. (Санскрит — один из древнейших индоевропейских языков, ему более 3000 лет. Несмотря на это, это человеческий язык, наиболее совместимый с искусственным интеллектом. ⁽²⁾ )

При горении серы образуется диоксид серы, ядовитый газ. Когда-то этот газ применялся в Нью-Йорке для фумигации зданий, в которых распространялись инфекционные заболевания. ⁽³⁾

Использование горения серы для окуривания началось несколько тысяч лет назад. В «Одиссее» Гомера, которой около 2800 лет, Одиссей говорит: «Принеси серу, старая кормилица, очищающая от всякой скверны, и принеси мне огонь, чтобы я мог очистить дом серой…» ⁽⁴⁾

В 808 году китайский текст дает нам, возможно, первый рецепт пороха, содержащий селитру, серу и углерод. ⁽⁵⁾

Также считается, что сера была компонентом «греческого огня», оружия, похожего на огнемет, использовавшийся Византийской империей. ^{(6), (7)}

Сера стала признанным химическим элементом в 1789 году, когда Антуан Лавуазье включил ее в свой знаменитый список элементов. ⁽⁸⁾

В 1823 году немецкий химик Эйльхард Мичерлих открыл аллотропию серы: он показал, что форма кристаллов серы, полученная при охлаждении расплавленной серы, отличается от формы, полученной при кристаллизации элемента из раствора. ⁽⁹⁾

Сера, полученная из расплавленной серы, называется моноклинной серой, а сера, полученная при кристаллизации раствора, называется ромбической серой. Обе формы состоят из колец S ₈ . Разница между формами заключается в том, как кольца расположены внутри кристалла.

В это время понятие аллотропии – различных структурных форм одного и того же элемента – не стало формальной частью химии. Только в 1841 году Берцелиус ввел этот термин для объяснения моноклинной и ромбической форм серы. ⁽¹⁰⁾

К 1800-м годам сера в форме серной кислоты стала лучшим способом судить о богатстве страны. Страны даже воевали из-за серы.

Вот что сказал об этом великий немецкий химик Юстус Либих примерно в 1843 году:

«Не будет преувеличением сказать, что мы можем справедливо судить о коммерческом благополучии страны по количеству потребляемой ею серной кислоты.

(цена на серу влияет на цену…) отбеленных и набивных хлопчатобумажных тканей, мыла, стекла и т.д., и помня, что Великобритания снабжает ими Америку, Испанию, Португалию и Восток, обменивая их на хлопок-сырец, шелк, вина, изюма, индиго и т. д., мы можем понять, почему английское правительство решило прибегнуть к войне с Неаполем (в 1839 г.) для того, чтобы отменить монополию на серу, которую последняя держава недавно пыталась установить». ⁽¹¹⁾

Интересные факты о сере

• Сера составляет почти 3% массы Земли. Если вы думаете, что это немного, в следующий раз, когда вы посмотрите на небо и увидите луну, подумайте вот о чем: земля содержит достаточно серы, чтобы образовалась не одна новая луна, а две!
• Когда шекспировский Отелло просит о наказании, он упоминает одну возможность: «…поджарь меня в сере!»
• Сера горит очень приятным голубым пламенем — ее старое название — сера, что означает «горящий камень» или «горящий камень».
• Чистая сера не имеет запаха, но многие ее соединения воняют! Например, соединения серы, называемые меркаптанами, придают скунсам их ужасный запах. Тухлые яйца (и большинство бомб-вонючек) получают свой характерный аромат благодаря сероводороду, H ₂ S.
• Некоторые пещерные бактерии переваривают сероводород и производят в пещерах снотиты (подумайте о слизистых сталактитах). Эти сопляки капают серной кислотой с нулевым рН — этого достаточно, чтобы прожечь дыры в вашей одежде, если вы встанете под нее. Бактерии сноттита процветают в районах, где есть залежи серы или серосодержащие минералы или углеводороды. Серная кислота, которую они выделяют, создает под землей новые пещерные системы, растворяя камни.
• В земном ядре гораздо больше серы, чем в ее земной коре — примерно в 100 раз больше.
• Пенициллин — природный антибиотик на основе серы.

 

Кольцо серы 8.

Сера очень энергично реагирует с цинком. Вот пробный пуск серно-цинковой ракеты.

Кристаллизация жидкой серы.

Внешний вид и характеристики

Вредные эффекты:

Элементарная сера считается малотоксичной.

Такие соединения, как сероуглерод, сероводород и диоксид серы, являются токсичными. Например, при концентрации 0,03 части на миллион мы чувствуем запах сероводорода, но он считается безопасным в течение восьми часов воздействия. При 4 ppm это может вызвать раздражение глаз. При 20 ppm воздействие более минуты вызывает серьезное повреждение глазных нервов. При 700 ppm дыхание останавливается. Если не будет быстрого спасения, наступит смерть. Это может привести к необратимому повреждению головного мозга. ⁽¹⁴⁾

Характеристики:

Сера представляет собой мягкое хрупкое твердое вещество бледно-желтого цвета без запаха. Нерастворим в воде, но растворим в сероуглероде. Горит голубым пламенем, окисляясь до диоксида серы.

Сера существует в нескольких кристаллических и аморфных аллотропах. Наиболее распространенной формой является желтая орторомбическая альфа-сера, содержащая сморщенные кольца S ₈ .

Сера многовалентна и сочетается с валентностью 2, 4 или 6 почти со всеми другими элементами. Наиболее известным соединением серы является сероводород (H ₂ S). Это ядовитый газ с запахом тухлых яиц; запах используется в бомбах-вонючках, многие из которых выделяют небольшое количество сероводорода.

Использование серы

Сера в основном используется в коммерческих целях в качестве реагента при производстве серной кислоты (H ₂ SO ₄ ). Серная кислота является основным химическим веществом номер один в промышленно развитых странах, которое требуется в больших количествах для свинцово-кислотных аккумуляторов для автомобилей.

Сера также используется при вулканизации натурального каучука, в качестве фунгицида, в черном порохе, в моющих средствах и в производстве фосфорных удобрений.

Сера является жизненно важным элементом для всех форм жизни. Он является компонентом двух аминокислот, цистеина и метионина.

Изобилие и изотопы

Изобилие в земной коре: 350 частей на миллион по весу, 225 частей на миллион по молям

Изобилие в Солнечной системе: 400 частей на миллион по весу, 10 частей на миллион по молям

Стоимость, чистая: $50 за 100 г

Стоимость, навалом: $ за 100 г

Источник: Залежи серы естественным образом встречаются в районах вокруг горячих источников и в вулканических районах. Он также широко встречается в природе в виде железного пирита (сульфид железа), галенита (сульфид свинца), гипса (сульфат кальция), солей Эпсома (сульфат магния) и многих других минералов.

Сера добывается в коммерческих целях из подземных месторождений с использованием процесса Фраша – перегретая вода и пар закачиваются под землю, где они расплавляют серу, позволяя перекачивать ее на поверхность. Серу также получают в промышленных масштабах как побочный продукт переработки сырой нефти.

Изотопы: Сера имеет 18 изотопов с известными периодами полураспада и массовыми числами от 27 до 45. Встречающаяся в природе сера представляет собой смесь своих четырех стабильных изотопов, и они находятся в указанных процентах: ³² S (95,0%), ³³ S (0,8%), ³⁴ S (4,2%) и ³⁶ S (0,02%).

Ссылки

1. Г. Эггерт, М. Вейхерт, Х. Эйлер, Б. Барбье, Некоторые новости о черных пятнах., 2004, Proceedings of Metal, стр. 142 (скачать в формате pdf).
2. Рик Бриггс, Представление знаний на санскрите и искусственный интеллект., Журнал AI, том 6, номер 1, 1985 г., стр. 32.
3. Сайрус Эдсон, Дезинфекция жилых помещений с помощью двуокиси серы, Папская служба общественного здравоохранения, 1889 г., 15: с65-68.
4. Томас Ф. Глик, Стивен Джон Ливси, Фейт Уоллис, Диоксид, Средневековая наука, технология и медицина: энциклопедия., 2005, стр. 211, Routelidge.
5. Гомер, Одиссея, стр. 270.
6. Чарльз Стивенсон, «Секретное оружие адмирала: лорд Дандональд и истоки химической войны», стр. 93, Boydell Press.
7. Эрик Кродди, Химическая и биологическая война, стр. 128, Copernicus Books
8. Антуан Лавуазье, Элементы химии в Project Gutenberg 1790, Перевод оригинального французского 1789 года Роберта Керра.
9. Ганс-Вернер Шютт, Эйльхард Мичерлих, принц прусской химии, стр. 98, Фонд химического наследия.
10. Уильям Б. Дженсен, Происхождение термина аллотроп., J. Chem. образования, 2006, 83 (6), стр. 838.
11. Юстус Фрайхерр фон Либих, Знакомые письма по химии., 1843.
12. Двуокись серы в атмосфере на рабочем месте Управление по безопасности и гигиене труда
13. Почему вы плачете, когда режете лук? , Библиотека Конгресса.
14. Токсичность газообразного сероводорода.

Процитировать эту страницу

Для онлайн-ссылки скопируйте и вставьте один из следующих элементов:

 Sulphur
 

или

  com/elements/sulfur.html">Факты об элементах серы
 

Чтобы процитировать эту страницу в академическом документе, используйте следующую ссылку в соответствии с MLA:

 "Сера". Химическая периодическая таблица. Chemicool.com. 18 октября 2012 г. Интернет.
. 

Влияние толщины на фоточувствительные свойства химически синтезированных тонких пленок сульфида меди

Всемирный журнал физики конденсированных сред Том 05 № 01 (2015 г.), идентификатор статьи: 53419, 8 стр.
10.4236/wjcmp.2015.51001

Влияние толщины на фоточувствительные свойства химически синтезированных тонких пленок сульфида меди

Abhiman Dattatray Dhondge ¹ , Sunil Rameshgir Gosavi ^1* , Narayani Madhukar Gosavi ² , Chatur Pundlik Sawant ³ , Amar Maruti Patil ⁴ , Abhijeet Ravsaheb Shelke ⁴ , Nishad Gopal Deshpande ^{4 *}

¹ Научный колледж C. H.C. Arts, S.G.P. Commerce и B.B.J.P., Талода, Индия

² Государственный инженерный колледж, Джалгаон, Индия

0161 3 Колледж Г. Т. Патила, Нандурбар, Индия

⁴ Лаборатория q-SpinTech и наноматериалов, факультет физики, Университет Шиваджи, Колхапур, Индия

Эл. [email protected]

Авторские права © 2015 принадлежат авторам и Scientific Research Publishing Inc.

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Поступила в редакцию 28 декабря 2014 г.; принят 18 января 2015 г.; опубликовано 21 января 2015 г.

АННОТАЦИЯ

Здесь мы сообщаем о влиянии толщины на фоточувствительные свойства тонких пленок сульфида меди (CuS). Пленки CuS были нанесены на стеклянную подложку с использованием простого и экономичного метода осаждения в химической ванне. Наблюдали за изменением толщины пленки во времени. Пленки были охарактеризованы с использованием метода дифракции рентгеновских лучей (XRD), сканирующей электронной микроскопии с полевой эмиссией (FE-SEM), методов оптических измерений и электрических измерений. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что все тонкие пленки CuS имеют орторомбическую (ковеллитную) структуру с преимущественной ориентацией вдоль направления (113). Интенсивность дифракционных пиков увеличивается с увеличением толщины пленки. Равномерное осаждение, имеющее нанокристаллическую зернистую морфологию, распределенное по всей стеклянной подложке, наблюдалось с помощью исследований FE-SEM. Кристаллические и поверхностные свойства тонких пленок CuS улучшаются с увеличением толщины пленки. Было обнаружено, что пропускание (за исключением пленки CuS толщиной 210 ​​нм) вместе со значениями ширины запрещенной зоны уменьшаются с увеличением толщины. Измерения ВАХ в условиях темноты и освещения показывают, что тонкие пленки CuS дают хороший фотоотклик.

Ключевые слова:

Сульфид меди (CuS), осаждение в химической ванне (CBD), тонкая пленка, рентгеновская дифракция (XRD), автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия (FESEM), фоточувствительность

1. Введение

Тонкие пленки полупроводникового халькогенида металла имеют потенциальное применение в области хранения энергии, газа и фоточувствительного механизма [1]-[4] . Их полупроводниковая нанокристаллическая природа вместе с электронными и оптическими свойствами делает их очень подходящими для различных оптоэлектронных приложений. Среди доступных халькогенидов металлов сульфид меди (CuS) является важным полупроводниковым материалом, который широко используется в области солнечных элементов, фотокатализаторов, суперконденсаторов, газовых сенсоров и т. д. [5] – [8]. В последние годы усилия были направлены на формирование сложной структуры и управление валентным состоянием в халькогенидных соединениях на основе меди. Сообщается, что CuS имеет пять стабильных фаз, которые существуют при комнатной температуре (КТ). Это ковеллит (CuS) в богатой серой области, анилит (Cu _1.75 S), дигенит (Cu _1.8 S), дюрлеит (Cu _1.95 S) и халькоцит (Cu ₂ S) в меденосной области [5] . Среди них CuS (ковеллит) демонстрирует электропроводность, подобную металлу, а также обладает почти идеальными характеристиками защиты от солнечного излучения. Несмотря на это, они даже демонстрируют легкий механизм электропроводности и переноса заряда [9]. В течение последнего десятилетия изготовление тонкой пленки CuS стало коммерциализированным благодаря ее стабильным оптоэлектронным характеристикам и оказалось подходящим кандидатом для фоточувствительных устройств [10], которые могут привести к дисплеям следующего поколения [11]. а также сенсорные экраны [12] . Более того, все эти приложения основаны на свойстве электропроводности, которое является одним из важных свойств CuS.

Имеется несколько сообщений о синтезе и характеристике тонких пленок CuS, нанесенных различными физическими и химическими методами. Например, Юань и др. [13] сообщили о зависимости толщины тонких пленок CuS и обнаружили, что с уменьшением толщины коэффициент пропускания тонких пленок CuS становится больше. В дополнение к этому они использовали эти тонкие пленки CuS в качестве передних контактных слоев и обнаружили фотоэлектрический отклик. Боллеро и др. В работе [14] также изучалось влияние толщины на оптические и электрические свойства. Интересно, что они обнаружили, что оптоэлектронные свойства пленок не сильно изменились даже после хранения образцов в течение года в лабораторных условиях. Кроме того, Nascu et al. [15] исследовали пленки CuS как в темноте, так и при освещении и обнаружили, что значения электрического сопротивления уменьшаются при освещении. В другом исследовании, проведенном Yildirim et al. [16] на CuS они обнаружили, что пленки были фоточувствительными, и фоточувствительность увеличивалась с увеличением интенсивности света. Более того, они даже сообщили, что после отжига этих пленок CuS фоточувствительность резко снизилась по сравнению с пленками CuS в состоянии после осаждения.

Несмотря на то, что о тонкой пленке CuS имеется большое количество литературы, мало информации о CuS в качестве фотосенсоров. Кроме того, недостаточно изучено и объяснено влияние толщины фоточувствительной тонкой пленки CuS. Поэтому, учитывая все вышеперечисленные факты, в настоящем исследовании мы сообщаем о влиянии толщины на физические, а также фотосенсорные свойства тонких пленок CuS p-типа, синтезированных методом простого химического осаждения в ванне (CBD).

2. Детали эксперимента

2.1. Подготовка стеклянной подложки

Стеклянная подложка размером 75 мм × 75 мм × 1,10 мм использовалась для осаждения тонкой пленки CuS. Субстрат промывали бидистиллированной водой и кипятили в хромовой кислоте 2 часа. Далее их промывали моющим средством и ополаскивали в ацетоне с ультразвуковой обработкой. Этот процесс необходим для очистки подложки, которая создает центры зародышеобразования, необходимые для осаждения тонких пленок.

2.2. Подготовка тонких пленок CuS

CBD — простой и многообещающий метод, используемый для приготовления тонких пленок CuS. Он требует низкой температуры обработки и возможности крупномасштабного осаждения. В качестве источника меди использовали сульфат меди (CuSO ₄ ∙5H ₂ O), а в качестве источника серы использовали тиомочевину (SC(NH ₂ ) ₂ ). Реакционная ванна содержит 10 мл 0,1 М CuSO ₄ · 5H ₂ O, 11 мл 25% водн. аммиак, 10 мл 0,1 М SC(NH ₂ ) ₂ в стакане на 100 мл и дистиллированной воде до объема 50 мл. Значение рН доводили до 10, чтобы получить однородные тонкие пленки CuS на стеклянных подложках. По нескольким методикам оптимизировали препаративные параметры, концентрацию растворов реагентов (а именно CuSO ₄ · 5H ₂ O и SC(NH ₂ ) ₂ ) 0,1 М, рН 10. Осаждение было разрешено продолжаться при RT в течение различных периодов времени. Гидроксильные ионы создаются аммиаком, когда он реагирует с водой. Эти ионы вступают в реакцию с тиомочевиной и получают ионизированную серу. Из-за сил притяжения между положительными и отрицательными ионами меди (Cu ²⁺ ) и серы (S ^{2 −} ) образуется небольшой кластер CuS. Эти кластеры зарождаются непосредственно на поверхности подложки и там прорастают в островки конденсированной фазы. Такие островки начинают формировать слои, состоящие из молекул CuS, и на поверхность стеклянной подложки осаждается тонкая пленка CuS. Процесс зарождения и роста схематически показан на рис. 1. После осаждения стеклянные микропрепараты вынимали из ванны, промывали деионизированной водой для отделения слабосвязанных атомов CuS, затем сушили на воздухе. Пленки различной толщины были получены путем изменения времени осаждения. Осажденные тонкие пленки CuS были дополнительно исследованы на различные свойства. Нанесение более 70 минут приводило к отслаиванию пленок от стеклянных подложек.

2.3. Характеристика тонких пленок CuS

Тонкие пленки CuS были охарактеризованы по структурным, морфологическим, оптическим и электрическим свойствам. Толщина тонкой пленки CuS измеряется методом полос Физо, в котором толщина тонкой пленки определяется как разность измеренного положения картин интерференционных полос. Когда свет падает на подложку, происходит отражение света от поверхности, границы раздела пленки и подложки. Таким образом, будет генерироваться разность фаз, дающая интерференционные картины. Полученную интерференционную картину можно использовать для измерения толщины по следующему соотношению:

(1)

где, d — толщина, n — показатель преломления, φ — угол преломления, Δ — оптическая разность хода.

Рентгеновские дифрактограммы (XRD) пленки сняты на дифрактометре Bruker AXS, Германия (D8 Advanced) в диапазоне сканирования 20°–80° (2θ) с использованием CuKα-излучения с длиной волны 0,15405 нм. Для определения морфологии поверхности использовали автоэмиссионный сканирующий электронный микроскоп (FESEM) S-48500 Type-II (HITACHI HIGH TECHNOLOGY CORPORATION Tokyo, Japan). Используя спектрометр JASCO UV-VIS (V-630), были исследованы оптические свойства тонкой пленки CuS путем оценки соотношения поглощения и пропускания в диапазоне длин волн 400–800 нм. ВАХ изучались с помощью измерителя Кейтли (модель № 2400) в диапазоне от ±2В.

3. Результат и обсуждение

3.1. Структурный анализ

На рис. 2 показана рентгенограмма тонких пленок CuS различной толщины, нанесенных на стеклянную подложку. Рентгенограмма показала, что тонкие пленки CuS являются поликристаллическими по своей природе с орторомбической (ковеллитом) кристаллической структурой при сопоставлении с картой JCPDS № 78-2122. Рентгенограмма тонких пленок CuS показала острый пик (113) вместе с другими второстепенными пиками, соответствующими плоскостям (112) и (115). Кроме того, наблюдался дифракционный пик, соответствующий 2θ = 38,77˚, который является пиком, обусловленным Cu(OH) ₂ (карточка JCPDS № 00-003-0307). Такая фаза может образоваться в процессе гидролиза Cu ²⁺ , который проводят при комнатной температуре. Хотя присутствует Cu(OH) ₂ , обнаружено, что кристаллическая структура CuS не сильно пострадала. Кроме того,

Рисунок 1. Принципиальная схема химического синтеза тонкой пленки CuS.

Рис. 2. Рентгенограммы тонких пленок CuS, осажденных различной толщины.

наличие ряда пиков, соответствующих CuS, свидетельствует о том, что пленки являются поликристаллическими с преимущественной ориентацией вдоль плоскости (113). На рентгенограмме также видно, что интенсивность пика увеличивается с увеличением толщины, при этом не наблюдается существенного смещения положения пика. Фактически имеется почти линейная зависимость интенсивности пика (113) от толщины (см. рис. 3). Это вполне естественно, так как с увеличением толщины увеличивается плотность материала CuS. Для высокоинтенсивного пика, то есть плоскости (113), мы рассчитали размер кристаллитов, используя формулу Шеррера, как указано ниже,

(2)

где: λ – длина волны рентгеновского излучения; β — уширение дифракционной линии, измеренное на полную ширину на половине максимума пика в радианах; k — константа (0,94), а θ — угол Брэгга. Мы обнаружили, что размер кристаллитов колеблется в пределах 30-34 нм для всех образцов, в то время как особой зависимости от толщины обнаружено не было.

3.2. Морфология поверхности и анализ состава

На рисунках 4(a)-(e) показаны изображения FESEM для тонкой пленки CuS различной толщины. Из этих изображений видно, что все тонкие пленки CuS имеют равномерное распределение зерен по поверхности, и в основном эти зерна имеют нанометровый размер. Когда толщина пленки увеличивается, морфология превращается из крошечных наночастиц в тяжелые гранулы. Кроме того, на рис. 4(а) были обнаружены наностержни CuS. Учитывая это, весьма вероятно, что наночастицы CuS зародились и выросли при небольшой толщине, а затем начали агломерироваться с образованием более крупных гранул по мере развития химического осаждения, как видно на рисунках 4(a)-(e). Примечательно, что микроскопические дефекты, такие как пустоты, точечные отверстия или отслаивание, не наблюдаются. Видно, что тонкая пленка, нанесенная при КТ, однородна, плотна и хорошо прилипает к стеклянной подложке. Такая плотная и компактная морфология необходима для применения тонкопленочных солнечных элементов. Так как утечку фототока можно предотвратить [17] . Изображение FESEM тонкой пленки CuS с большим увеличением, соответствующее толщине 305 нм, показало, что осажденная пленка равномерно покрыта компактными глобулярными структурами, состоящими из сферических частиц, как показано на вставке к рисунку 4 (e). Средний диаметр глобулы меньше 150 нм по сравнению с диаметром сферических частиц (25 – 50 нм), из которых состоят глобулы.

3.3. Оптический анализ

Спектры пропускания осажденных тонких пленок CuS различной толщины представлены на рис. пленка CuS после длины волны 650 нм) с увеличением толщины тонкой пленки CuS. Смещение края может происходить из-за дифракционных потерь, возникающих в результате агломерации толщины пленки. Это также может привести к изменению показателя преломления материала, который может варьироваться в пределах средних значений [18]. Далее для получения значений ширины запрещенной зоны использовалась теория оптического поглощения, которая дает связь между коэффициентом поглощения «α» и энергией фотона «hν», для прямого разрешенного перехода как [19] ,

Рис. 3. Интенсивности пиков XRD для плоскости (113) тонких пленок CuS в зависимости от толщины пленки. Примечание. Используемая линия показывает почти линейную зависимость.

Рис. 4. FESEM-изображения тонких пленок CuS различной толщины на стеклянной подложке: (а) 120 нм; (б) 175 нм; (в) 210 нм; (г) 250 нм; и (e) 305 нм (на вставке к рис. 3(e) показано изображение FESEM с большим увеличением).

Рис. 5. Спектры пропускания тонких пленок CuS различной толщины на стеклянной подложке.

(3)

где «hν» — энергия фотона, «E _g » — оптическая ширина запрещенной зоны, «A» — константа.

Используя приведенное выше соотношение, мы рассчитали значения (αhν) ² и hν, которые представлены на рисунке 6. После экстраполяции линейной части на ось энергии, т. е. ось x, получим оптическую ширину запрещенной зоны ценность материала. Рассчитанное значение оптической ширины запрещенной зоны E _g уменьшается с 2,56 эВ до 2,42 эВ с увеличением толщины тонких пленок CuS, т. е. со 120 нм до 305 нм соответственно. Это может быть связано с сильным квантовым ограничением, возникающим вдоль направления толщины, поэтому геометрический параметр в CuS позволяет уменьшить оптическую запрещенную зону в двумерных квантовых управлениях с высокой степенью прецессии [20]. Это указывает на то, что толщина имеет сильную зависимость, т. е. обратную зависимость от значения ширины запрещенной зоны тонкой пленки CuS.

3.4. Исследования фоточувствительности

Изучение ВАХ проводится в темноте и при различной интенсивности освещения тонких пленок CuS различной толщины [см. рис. 7(a)-(e)]. Для изучения свойств фотосенсора был выбран участок 1 см ² тонкой пленки CuS, на которую была нанесена серебряная паста (два контакта Ag, разнесенные на расстояние 1 см) для обеспечения хорошего нейтрального электрического контакта. Перед световым освещением измеряли ВАХ в темноте, а затем после светового освещения (имеющего разную интенсивность) измеряли соответствующую ВАХ. Из всех ВАХ (см. рис. 7(а)-(д)) видно, что существует линейная зависимость между ВАХ, свидетельствующая об омической природе тонких пленок CuS. Кроме того, общая тенденция для всех образцов CuS показала, что с увеличением интенсивности освещения фотосопротивление уменьшается (см. рис. 8). Это говорит о том, что увеличение энергии падающего фотона разрывает некоторые ковалентные связи в полупроводнике CuS и в результате образуются свободные электронно-дырочные пары (ЭДП), которые становятся доступными для проводимости тока, тем самым уменьшая сопротивление [21] [22] . Несмотря на это, также было обнаружено, что увеличение толщины пленок CuS снижает значения фотосопротивления (см. рис. 8). Примечательно, что для пленок CuS толщиной 210 ​​нм наблюдалось неравномерное изменение значения фотосопротивления с увеличением интенсивности освещения (см. оранжевый квадрат, указанный на вставке к рис. 8). Так, при освещении 5800 люкс фотосопротивление увеличивалось, а затем снова начинало снижаться с увеличением интенсивности. Эти неравномерные изменения фотосопротивления в зависимости от интенсивности освещения могут быть прямым следствием свойств пропускания, наблюдаемых для данной конкретной пленки. Коэффициент пропускания для этой пленки внезапно увеличился по сравнению с пленками другой толщины, что указывает на то, что при определенном значении интенсивности освещенного света пленки становятся прозрачными для света, и возможная ЭДП затруднена, что приводит к увеличению значений фотосопротивления. Это исследование предполагает, что, хотя интенсивность светового освещения может увеличить количество ЭДП; но, возможно, можно контролировать это число, просто контролируя толщину тонкой пленки CuS. Кроме того, это указывает на пригодность тонких пленок CuS в качестве интеллектуальных фотосенсорных устройств.

Рис. 6. График зависимости (αhν) ² от hν для тонких пленок CuS различной толщины.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) тонкой пленки CuS, снятая в темноте, а также при различной интенсивности освещения для: (а) 120 нм; (б) 175 нм; (в) 210 нм; (г) 250 нм и (д) 305 нм.

Рис. 8. График зависимости фотосопротивления от толщины, снятый при различной интенсивности освещения. На вставке показано увеличенное изображение, а оранжевый квадрат указывает на неравномерное изменение фотосопротивления для конкретных пленок CuS толщиной 210 ​​нм.

4. Заключение

Тонкие пленки CuS различной толщины были успешно нанесены простым и экономичным методом осаждения в химической ванне. Увеличение толщины пленок CuS повышает как кристалличность, так и морфологические свойства. Плотная морфология с глобулярными структурами была подтверждена для образцов CuS большой толщины. Неравномерное изменение коэффициента пропускания помогло нам понять свойства фотосопротивления тонких пленок CuS. Было подтверждено значительное влияние толщины на значения фотосопротивления, что указывает на то, что можно управлять фотосопротивлением, просто контролируя толщину тонких пленок CuS.

Благодарности

Авторы выражают благодарность заведующему отделением UDCT Университета Северной Махараштры в Джалгаоне и директору, доктору П. В. Рамая, C. H. C. Arts, S. G. P. Commerce и B. B. J. P. Science College, Taloda, за предоставление лабораторного оборудования. SRG благодарит председателя и членов правления трестов колледжей искусств и торговли за постоянную поддержку исследовательской работы. NGD благодарит Департамент науки и технологий (DST) за присуждение премии DST Inspire факультета [IFA-PH-61/01/08/2013].

Ссылки

1. Резиг Б., Дюшемин С. и Гуаставино Ф. (1979) Испаренные слои сульфидов меди: технология и методы определения характеристик. Материалы солнечной энергии, 2, 53-67. http://dx.doi.org/10.1016/0165-1633(79)

   -3

2. Садекар Х.К., Дешпанде Н.Г., Гудаге Ю.Г., Гош А., Чавхан С.Д., Госави С.Р. и Шарма, Р. (2008) Рост, структурное, оптическое и электрическое исследование тонких пленок ZnS, нанесенных методом выращивания из раствора (SGT). Журнал сплавов и соединений, 453, 519.-524. http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.10.123
3. Ленггоро И.В., Канг Ю.К., Комия Т., Окуяма К. и Тоге Н. (1998) Формирование субмикронной меди Сульфидные частицы методом спрей-пиролиза. Японский журнал прикладной физики, 37, L288-L290. http://dx.doi.org/10.1143/JJAP.37.L288
4. Ахире, Р.Р., Дешпанде, Н.Г., Гудаге, Ю.Г., Сагаде, А.А., Чавхан, С.Д., Фаза, Д.М. и Шарма, Р. (2007) Сравнительное исследование физических свойств CdS, Bi ₂ S ₃ и композитный CdS-Bi ₂ S ₃ Тонкие пленки для применения в фотосенсорах. Датчики и приводы A: Physical, 140, 207-214. http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2007.06.039
5. Wu, C., Zhang, Z., Wu, Y., Lv, P., Nie, B., Luo, L. , Ван, Л., Ху, Дж. и Цзе, Дж. (2013) Гибкие солнечные элементы CuS Nanotubes-ITO с соединением Шоттки с улучшенным сбором света с использованием Ag-зеркала. Нанотехнологии, 24, ID статьи: 045402. http://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/24/4/045402
6. Чжан Ю., Тянь Дж., Ли Х., Ван Л., Цинь С., Асири А., Юби А.А. и Sun, X. (2012) Биомолекулярный, экологически чистый, однореакторный синтез нанокомпозитов CuS/восстановленный оксид графена с улучшенными фотокаталитическими характеристиками. Ленгмюр, 28, 12893-12900. http://dx.doi.org/10.1021/la303049w
7. Пэн, Х., Ма, Г., Сун, К., Му, Дж., Ванга, Х. и Лей, З. (2014) Высокая производительность Суперконденсатор на основе многоструктурных композитов CuS@полипиррол, полученный методом окислительной полимеризации in situ. Журнал химии материалов А, 2, 3303-3307. http://dx.doi.org/10.1039/c3ta13859c
8. Сюй, Дж., Чжан, Дж., Яо, К., Донг, Х. и Чил, Дж. (2013) Синтез новых высокопористых мячей для гольфа CuS гидротермическим методом и их применение для обнаружения газа аммиака. Journal of the Chilean Chemical Society, 58, 1722-1724. http://dx.doi.org/10.4067/S0717-97072013000200017
9. Кортес, Р. (1997) Рост полупроводников халькогенидов металлов из водных растворов. Чистая и прикладная химия, 69, 77-82. http://dx.doi.org/10.1351/pac19976
77
10. Донг, Х.Л., Чжу, Х.Ф., Мэн, К., Гонг С. и Ху, В.П. (2012) Супрамолекулярные полимеры, созданные с помощью молекулярного распознавания на основе краун-эфира. Обзор химического общества, 41, 1621–1636. http://dx.doi.org/10.1039/c1cs15220c
11. Fattal, D., Peng, Z., Tran, T., Vo, S., Fiorentino, M., Brug, J. и Beausoleil, R.G. (2013) Многонаправленная подсветка для широкоугольного трехмерного дисплея без очков. Природа, 495, 348-351. http://dx.doi.org/10.1038/nature11972
12. Ли, Дж.К., Ким, С.С., Пак, Ю.И., Ким, К.Д. и Хван, Ю.К. (2011) Адаптивная сенсорная технология In-Cell для гибкого дисплея электронной бумаги. Твердотельная электроника, 56, 159-162. http://dx.doi.org/10.1016/j.sse.2010.10.008
13. Юань, К.Д., Ву, Дж.Дж., Лю, М.Л., Чжан, Л.Л., Сюй, Ф.Ф., Чен, Л.Д. и Хуанг, Ф.К. (2008) Изготовление и микроструктура прозрачной проводящей тонкой пленки CuS p-типа и ее применение в солнечных элементах, сенсибилизированных красителем. Письма по прикладной физике, 93, ID статьи: 132106.
14. Боллеро, А., Гроссберг, М., Асенхо, Б. и Гутьеррес, М.Т. (2009) Тонкие пленки на основе CuS для архитектурного остекления, полученные путем совместного испарения: морфология, оптические и электрические свойства. Технология поверхностей и покрытий, 204, 593-600. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.08.037
15. Нашку, К., Поп, И., Ионеску, В., Индреа, Э. и Брату, И. (1997) Распылительный пиролиз Осаждение тонких пленок CuS. Материалы Письма, 32, 73-77. http://dx.doi.org/10.1016/S0167-577X(97)00015-3
16. Али Йилдирим, М., Атес, А. и Астам, А. (2009) Влияние отжига и света на структурные, оптические и электрические свойства тонких пленок CuS, CuZnS и ZnS, выращенных методом SILAR. Физика Е, 41, 1365-1372. http://dx.doi.org/10.1016/j.physe.2009.04.014
17. Гао, К., Шен, Х., Сунь, Л. и Шен, З. (2011) Химическое осаждение висмута в ванне ₂ S ₃ Пленки новой системы осаждения. Прикладная наука о поверхности, 257, 7529-7533. http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.03.080
18. Ли С.Х., Лим Дж.В. и Ю, Дж.С. (2013) Повышение коэффициента пропускания сапфиров с помощью антиотражающих субволновых решеток УФ-полимерных поверхностных структур с рисунком с помощью мягкой литографии.