Теплопроводность кристаллов халькогенидов редкоземельных элементов оптического качества

Размещено на http://allbest.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт физики им. Х.И. Амирханова

Дагестанского научного центра РАН

Теплопроводность кристаллов халькогенидов редкоземельных элементов оптического качества

С.М. Лугуев, Н.В. Лугуева

Полуторные составы халькогенидов редкоземельных элементов кристаллизуются в нескольких структурных модификациях, одной из которых является высокотемпературная -фаза, представляющая собой структуру типа Th₃P₄. Соединения, кристаллизующиеся в этой структуре, представляют значительный интерес для практического применения благодаря уникальному сочетанию оптических, магнитных, электрических и акустических свойств.

Изучение оптических свойств полуторных халькогенидов редкоземельных элементов показало, что они обладают прозрачностью в области спектра от 0.5 до 20-30 мкм [1-4], что предопределяет возможность их применения в качестве окон, линз и призм в системах тепловидения.

Для применения в этих системах полуторные халькогениды редкоземельных элементов имеют ряд преимуществ по сравнению с широко используемыми сульфидом и селенидом цинка: они термически стабильны, имеют высокую температуру плавления, механически прочны и могут выдерживать аэродинамический нагрев и сложные погодные условия.

Полуторные халькогениды редкоземельных элементов также используются как оптически активные материалы в квантовой электронике, интегральной оптике, системах оптической связи [5,6]. Применение и производство материалов, используемых в приборах и устройствах, требуют информации об их физических параметрах для проведения конструкторских и технологических работ.

Исследование коэффициента теплопроводности (к) этих соединений позволяет получить данные, необходимые для определения их функциональных возможностей и расширения областей применения.

В данной работе приводятся результаты исследования в интервале температур 80-400 К коэффициента теплопроводности соединений Ln₂X₃ (Ln - La, Pr, Gd, Dy; X - S, Te), а также информация о характере влияния на теплопроводность исследованных соединений парамагнитных ионов Pr и Dy.

Исследованные образцы представляли собой кристаллы, полученные из расплава предварительно синтезированных соединений соответствующих составов протягиванием контейнера с веществом через индуктор. Все исследованные образцы по данным рентгеновских измерений имели кубическую структуру типа Th₃P₄. Для исследования коэффициента теплопроводности образцы вырезались из крупноблочных поликристаллических слитков, прозрачных на просвет.

Измерения коэффициента теплопроводности выполнялись абсолютным стационарным методом, основанном на создании линейного теплового потока через исследуемый образец. Описание экспериментальной установки для измерений приведено в [7]. Погрешность измерений составляла 2ч4 % в зависимости от области температур.

Некоторые данные для образцов полуторных составов при 300 К из литературы [5, 8-11] и полученные в настоящей работе приведены в таблице.

Таблица. Экспериментальные данные о теплопроводности при 300 К и литературные данные из работ [8-12] о ряде параметров полуторных составов халькогенидов редкоземельных элементов.

Из таблицы видно, что все соединения имеют достаточно большую ширину запрещенной зоны и высокие температуры плавления.

На рис. 1 приведены экспериментально полученные температурные зависимости коэффициента теплопроводности полуторных сульфидов La, Pr, Gd, Dy. Как видно из рисунка, температурные зависимости коэффициента теплопроводности La₂S₃ и Gd₂S₃ имеют вид, характерный для диэлектриков в этой области температур.

Значения теплопроводности полуторных сульфидов Pr и Dy заметно ниже, а их теплопроводность имеет необычную для диэлектриков температурную зависимость.

Высокое электросопротивление исследованных образцов позволяет предположить, что у них отсутствует вклад электронной компоненты в теплопроводность, а теплоперенос осуществляется колебаниями кристаллической решетки и электромагнитным излучением.

Рис.1. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности полуторных сульфидов La, Pr, Gd, Dy (1 - La₂S₃; 2 - Gd₂S₃; 3 - Pr₂S₃; 4 - Dy₂S₃).

В области температур 80-200 К в полуторных сульфидах лантана и гадолиния к ~ Т^-1, что характерно для фононного теплопереноса и фонон-фононного и фонон-дефектного механизмов рассеяния.

При более высоких температурах наблюдается отклонение от этой зависимости, которое можно объяснить появлением дополнительного механизма переноса тепла. Ввиду высокой прозрачности образцов в инфракрасной области спектра можно считать, что дополнительной составляющей теплопроводности в области температур выше 200 К является фотонная компонента (к_фот).

Величина дополнительного вклада в теплопроводность определена, как разность между экспериментально полученными значениями теплопроводности и теплопроводностью кристаллической решетки (к_р), считая, что к_р ~ Т^-1 (на рисунке показаны штриховыми линиями). Расчет показал, что этот дополнительный вклад ~ Т³, что характерно для переноса тепла электромагнитным излучением.

Необычные для высокоомных кристаллов температурные зависимости теплопроводности полуторных сульфидов празеодима и диспрозия обусловлены рассеянием в них фононов парамагнитными ионами Pr и Dy.

В этих кристаллах также возможен перенос тепла электромагнитным излучением, однако, экспериментальное его выделение затруднено из-за большого вклада процессов рассеяния фононов парамагнитными ионами в тепловое сопротивление решетки.

На рис. 2 приведены данные температурных зависимостей коэффициента теплопроводности сульфидов и теллуридов лантана и празеодима. оптический теплопроводность лантан халькогенид

На рисунках 1 и 2 (кривые 1 и 2) видно, что с увеличением среднего атомного веса теплопроводность кристаллов закономерно снижается. Более сложная картина наблюдается для кристаллов с парамагнитными ионами.

Это может быть обусловлено различием в энергиях расщепления кристаллическим полем энергетических уровней парамагнитных ионов, на которых рассеиваются фононы, переводя их из одного энергетического состояния в другое

Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента теплопроводности La₂S₃ (1), La₂Te₃ (2), Pr₂Te₃ (3), Pr₂S₃ (4).

Таким образом, в результате проведенных исследований получены экспериментальные данные о теплопроводности кристаллов ряда полуторных составов халькогенидов редкоземельных элементов.

Литература

1. Константинов В.Л., Скорняков Г.П., Камарзин А.А., Соколов В.В. Оптические свойства монокристаллов La2S3 // Неорган. матер. 1978. T. 14. № 5. C. 843-845.

2. Prokofiev A.V., Shelykh A.I., Golubkov A.V., Smirnov I.A. Crystal growth and optical properties of rare earth sesquiselenides and sesquisulfides - new magneto-optic materials // J. Alloys and Comp. 1996. V.219. N1-2. P. 172-175.

3. Kumta P. N., Dravid V. P., Risbud S. H. Structural characterization of chemically synthesized cubic lanthanum sulphide (г-La2S3) //Philosophical Magazine B. 1993. Т. 68. №. 1. С. 67-84.

4. Chess D. L., Chess C. A., White W. B. Precursor powders for sulfide ceramics prepared by evaporative decomposition of solutions // Journal of the American Ceramic Society. 1983. Т. 66. №. 11. С. c205-c206.

5. Westrum E.F., Jr. Burriel R., Gruber J.B., Palmer P. E. and B. J. Beaudry P. E., Plautz W. A. Thermophysical properties of the lanthanide sesquisulfides. I. Schottky functions and magnetic and electronic properties of г-La2S3, г-Ce2S3, г-Nd2S3, and г-Gd2S3 // J. Chem. Phys. 1989. V. 91. N 8. P. 4838-4848.

6. Смирнов И.А. Редкоземельные полупроводники - перспективы развития и применение // ЖВХО им. Д.И. Менделеева. 1981. Т. 26. №. 6. С. 2-11.

7. Методика ГСССД МЭ 218-2014. Методика экспериментального определения теплопроводности твердых тел в диапазоне температур 80-450 К / С.М. Лугуев, И.А. Смирнов, Н.В. Лугуева; Росс. научно-техн. центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия. М., 2014. 30 с. : Ил.- 5; Табл.- 3; Библиогр. назв. 31. - рус. 27 назв. Деп. в ФГУП “СТАНДАРТИНФОРМ” 31.03.2014, № 912а-2014кк.

8. Kamarzin A.A., Mironov K.E., Sokolov V.V., Malovitsky Yu.N., Vasilґyeva I.G. Growth and properties of lanthanum and rare-earth metal sesquisulfide crystals // J. Cryst. Growth. 1981. V. 52. N 2. P. 619-622.

9. Goryachev Yu.M., Kutsenok T.G. Thermophysical properties and electronic structure of rare earth chalcogenides // High Temp.-High Pres. 1972. V.4, N 1. P.663-669.

10. Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов. Под ред. В.П. Жузе. Наука, Ленинград, 1973, 304 с.

11. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Исмаилов Ш.М. Теплофизические свойства твердых растворов системы CaLa2S4-La2S3 // ТВТ. 2004. T. 42. № 5. C. 704-708.

12. Лугуев С.М., Лугуева Н.В., Исмаилов Ш.М. Теплопроводность, тепловое расширение и микротвердость твердых растворов CaLa2S4-La2S3 // Неорганические материалы. 2002. Т. 38. № 4. С. 423-427

Аннотация

Теплопроводность кристаллов халькогенидов редкоземельных элементов оптического качества. С.М.Лугуев, Н.В.Лугуева. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского научного центра РАН

Приведены результаты экспериментального исследования теплопроводности ряда оптически прозрачных полуторных составов халькогенидов редкоземельных элементов в диапазоне температур 80-400 К.

Размещено на Allbest.ru