ФАЗОВІ РІВНОВАГИ У КВАЗІПОТРІЙНІЙ СИСТЕМІ Cu2S – Ga2S3 – In2S3 ТА НИЗЬКОТЕМПЕРАТУРНА ФОТОЛЮМІНЕСЦЕНЦІЯ В МОНОКРИСТАЛАХ (Ga55In45)2S300 та (Ga54,59In44,66Er0,75)2S300

Автор(и)

  • I. D. Olekseyuk Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки, Ukraine
  • P. V. Tishchenko Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки, Ukraine
  • I. A. Ivashchenko Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки, Ukraine
  • I. V. Danyliuk Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки, Ukraine https://orcid.org/0000-0001-9498-6816
  • V. V. Halyan Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.24144/2414-0260.2018.2.5-16

Ключові слова:

Cu2S – Ga2S3 – In2S3, phase eguilibrium, isothermal section, solid solutions, liquidus surface projection, photoluminescence

Анотація

The interaction between the components in the Cu2S - Ga2S3 - In2S3 system has been investigated by methods of direct synthesis, X-ray analysis and differential-thermal analysis. 5 polythermal sections, the isothermal section at 820 K and the liquidus surface projection of the Cu2S – Ga2S3 – In2S3 system have been constructed. The presence of solid solutions based on binary and ternary compounds has been found. The existence of the quaternary phase CuGaxIn5-xS8 has been confirmed, where 1.4 ≤ x ≤ 2.05 at 820 K. The two single crystals (Ga55In45)2S300 and (Ga54,59In44,66Er0,75)2S300 have been grown by solution-melt method. In the (Ga55In45)2S300 single crystal at T = 80 K and the excitation at 488 nm a low PL intensity has been observed, which is associated with defects of the single crystal. The PL band with the maximum at 1540 nm in the (Ga54,59In44,66Er0,75)2S300 single crystal is associated with intracenter transitions in the Er3+ ions.

The isothermal section of the Cu2S – Ga2S3 – In2S3 quasi-ternary system at 820 K has been built based on the results of the X-ray analysis. Ternary compounds CuInS2 and CuGaS2 form solid solutions with the structure of chalcopyrite with formula CuGa1-xInxS2, 0 ≤ x ≤ 1, sp. gr. I-42d. There are also γ-solid solutions based on CuGa5S8, sp. gr. I-42m; λ-solid solutions based on GaInS3, sp. gr. P61; μ-solid solutions based on Ga0.7In1.3S3, sp. gr. Cmc21, ι-solid solutions based on CuIn5S8, sp. gr. F-43m in the investigated system. The φ-quaternary phase stretched out along 16.7 mol. % Cu2S. It crystallizes in the hexagonal system and forms equilibrium with β-, λ-, ι-solid solutions.

The liquidus surface projection of the system has been built based on the literature and our own research results. On the liquidus surface projection of the system, the areas of primary crystallization of α-solid solutions based on 2-HTM-Cu2S, ε-solid solutions based on 2-HTM-Ga2S3, δ-solid solutions based on 1-HTM-Ga2S3, λ-solid solutions on the basis of GaInS3, ψ-solid solutions based on 2-HTM-In2S3, the φ-quaternary phase and the largest region of the primary crystallization of the β-solid solution based on CuGaS2 exist. Small regions of the primary crystallization of the θ-solid solutions based on 2-HTM-CuInS2 and η-solid solutions based on 1-HTM-CuInS2 also exist. All regions are separated by monovariant curves and non-variant points. μ-Solid solutions based on Ga0,7In1,3S3 and γ-solid solutions based on CuGa5S8 do not have the areas of the primary crystallization on the liquidus surface projection of the system due to the nature of their formation.

Біографії авторів

I. D. Olekseyuk, Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

д.х.н., проф., професор кафедри неорганічної та фізичної хімії

P. V. Tishchenko, Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

аспірант кафедри неорганічної та фізичної хімії

I. A. Ivashchenko, Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

к.х.н., доц., доцент кафедри неорганічної та фізичної хімії

I. V. Danyliuk, Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

к.х.н., старший викладач кафедри екології та охорони навколишнього середовища

V. V. Halyan, Східноєвропейський національний університет імені Лесі Українки

к.фіз.-мат.н., доц., доцент кафедри експериментальної фізики та інформаційно-вимірюваль-них технологій

Посилання

Soni A., Gupta V., Arora C.M., Dashora A., Ahuja B.L. Electronic structure and optical properties of CuGaS2 and CuInS2 solar cell materials. Sol. Energy. 2010, 84(8), 1481–1489.

Sanz C., Guillén C., Gutiérrez M.T. Gallium indium sulfide layers obtained by modulated flux deposition. J. Phys. D: Appl. Phys. 2008, 41(23), 5103–5107.

Ivashchenko I.A., Danyliuk I.V., Gulay L.D., Halyan V.V., Olekseyuk I.D. Isothermal sections of the quasi-ternary systems Ag2S(Se)–Ga2S(Se)3– In2S(Se)3 at 820K and the physical properties of the ternary phases Ga5.5In4.5S15, Ga6In4Se15 and Ga5.5In4.5S15:Er3+, Ga6In4Se15:Er3+. J. Solid State Chem. 2016, 237, 113–120.

Kokta M., Carruthers J. R., Grasso M., Kasper H. M., Tell B. Ternary phase relations in the vicinity of chalcopyrite copper gallium sulfide. J. Electron. Mater. 1976, 5(1), 69–89.

Madelung O., Rössler U., Schulz M. Landolt-Börnstein Copper sulfides (Cu2S, Cu(2-x)S) crystal structure, lattice parameters. Condensed Matter. 1998, 41C, 9.3.

Jones C.Y., Bryan J.C., Kirschbaum K., Edwards J.G. Refinement of the crystal structure of digallium trisulfide. Z. Kristallogr. NCS. 2001, 216, 327–328.

H. Hahn, W. Klingler Ueber die Kristallstrukturen von Ga2S3, Ga2Se3 und Ga2Te3. Z. Anorg. Allg. Chem. 1949, 259, 135–142.

Pistor P., Merino Álvarez J. M., León M., Michiel M., Schorr S., Klenk R., Lehmann S. Structure reinvestigation of α-, β- and γ-In2S3. Acta Cryst. B. 2016, 72(3), 410–415.

Do Y.R., Kershaw R., Dwight K., Wold A. The crystal growth and characterization of the solid solutions (ZnS)1-x(CuGaS2)x. J. Solid State Chem. 1992, 96(2), 360–365.

Tembhurkar Y.D., Hirde J.P. Band gap and structural parameter variation of CuInSe2(1-x)S2x solid-solution in the form of thin films. Bull. Mater. Sci. 1992, 15(2), 143–148.

Binsma J.J.M., Giling L.J., Bloem J. Phase relations in the system Cu2S-In2S3. J. Cryst. Growth. 1980, 50, 429–436.

Gastaldi L., Scaramuzza L. Single-crystal structure analysis of the spinel copper pentaindium octasulphide. Acta Cryst. B. 1980, 36, 2751–2753.

Tsuyoshi M., Ying Y., Qing C., Kenta U., Takahiro W. Crystallographic and optical properties and band diagrams of CuGaS2 and CuGa5S8 phases in Cu-poor Cu2S–Ga2S3 pseudo-binary system. Jpn. J. Appl. Phys. 2017, 56, 1–8.

Ivashchenko І.А., Danylyuk І.V., Olekseyuk І.D., Pankevych, Halyan V.V. Phase equilibria in the quasiternary system Ag2S-Ga2S3-In2S3 and optical properties of (Ga55In45)2S300, (Ga54.59In44.66Er0.75)2S300 single crystals. J. Solid State Chem. 2015, 227, 255–264.

Haeuseler H., Elitok E., Memo A., Arzani R. Verfindungen mit Schichtstrukturen in den Systemen CuGa5S8/CuIn5S8 und AgGa5S8/AgIn5S8. Z. Anorg. Allg. Chem. 2001, 627, 1204–1208.

Marushko L.P., Piskach L.V., Romanyuk Y.E., Parasyuk O.V., Olekseyuk I.D., Volkov S.V., Pekhnyo V.I. Quasi-ternary system CuGaS2 – CuInS2 – CdS. J. Alloys Compd. 2010, 492, 184–189.

Kityk I.V., Halyan V.V., Yukhymchuk V.O., Strelchuk V.V., Ivashchenko I.A., Zhydachevskii Ya., Olekseyuk I.D., Kevshyn A.G., Piasecki M. NIR and visible luminescence features of erbium doped Ga2S3–La2S3 glasses. Journal of Non-Crystalline Solids. 2018, 498, 380–385.

##submission.downloads##

Номер

Том 40 № 2 (2018)

Розділ

Статті