Einführung

Derzeit beträgt die Anzahl der in der Elektrotechnik für verschiedene Zwecke verwendeten Materialien mehrere Tausend. Nach der allgemeinsten Klassifizierung werden sie in vier Klassen eingeteilt: Leiter, Halbleiter, Dielektrika und magnetische Materialien. Zu den wichtigsten und relativ neuen Materialien zählen halbleiterchemische Verbindungen, unter denen Verbindungen des Typs A II B VI von größtem wissenschaftlichen und praktischen Interesse sind. Eines der bedeutendsten Materialien dieser Gruppe ist CdS.

CdS ist die Grundlage der modernen IR-Technologie, da sein Lichtempfindlichkeitsspektrum das atmosphärische Transparenzfenster (8-14 Mikrometer) überlappt, in dem alle Umgebungsobjekte strahlen. Dies ermöglicht den Einsatz in militärischen Angelegenheiten, Ökologie, Medizin und anderen Bereichen menschlicher Aktivität. Bisher wird CdS in Filmform durch ein hydrochemisches Verfahren gewonnen.

Ziel dieses Kursprojekts ist die Durchführung eines Projekts zur Herstellung empfindlicher Elemente von Fotowiderständen auf CdS-Basis nach dem hydrochemischen Verfahren mit einer Kapazität von 100.000 Stück / Jahr sowie die Einarbeitung in das Berechnungsverfahren zur vorläufigen Bestimmung der Bedingungen zur Bildung von CdS, Cadmiumhydroxid und Cyanamid.

1. Eigenschaften von Cadmiumsulfid

Das Diagramm des Cd-S-Systems wurde nicht erstellt, es gibt eine CdS-Verbindung im System, die in zwei Modifikationen existiert: α (hexagonal) und β (kubisch). CdS kommt natürlicherweise als die Mineralien Greenockit und Howleyit vor.

1.1 Kristallstruktur

Verbindungen des Typs A II B VI kristallisieren meist in der Struktur von Sphalerit oder Wurtzit. Die Struktur von Sphalerit ist kubisch, Typ B-3, Raumgruppe F4 3m (T d 2). Die Struktur von Wurtzit ist hexagonal, Typ B-4, Raumgruppe P 6 3 mc (C 6 v 4). Diese Strukturen sind einander sehr ähnlich, sie haben die gleiche Anzahl von Atomen in der ersten und zweiten Koordinationssphäre – 4 bzw. 12. Die interatomaren Bindungen in den Tetraedern beider Modifikationen sind sehr eng.

Cadmiumsulfid wurde sowohl mit Sphalerit- als auch mit Wurtzit-Strukturen erhalten.

1.2 Thermodynamische und elektrophysikalische Eigenschaften

Cadmiumsulfid ist eine einseitige Phase variabler Zusammensetzung, die stets einen Cadmiumüberschuss aufweist. Cadmiumsulfid sublimiert beim Erhitzen auf 1350 ᵒС bei Atmosphärendruck ohne Schmelzen, im Vakuum bei 180 ᵒС destilliert es ohne Schmelzen und ohne Zersetzung, unter einem Druck von 100 atm schmilzt es bei einer Temperatur von etwa 1750 ᵒС. Der Dissoziationsgrad von Cadmium bei Temperaturen über 1000 ᵒС erreicht 85-98%. Die Bildungswärme von CdS Δ H 298 0 \u003d -34,71 kcal / mol.

Je nach Herstellungsbedingungen und Wärmebehandlung können die Eigenschaften von CdS unterschiedlich sein. Somit haben Kristalle, die in einem Überschuss an Cadmiumdampf gezüchtet wurden, eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Kristalle, die unter Bedingungen einer stöchiometrischen Zusammensetzung gezüchtet wurden. Der spezifische Widerstand von CdS kann abhängig von verschiedenen Faktoren über einen weiten Bereich variieren (von 10 12 bis 10 -3 Ohm * m).

Abweichungen von der Stöchiometrie haben einen entscheidenden Einfluss auf die elektrophysikalischen Eigenschaften von CdS. Der Eintrag von Sauerstoff in die Proben führt zu einer starken Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Die aus optischen Daten bestimmte Bandlücke von CdS beträgt 2,4 V. Cadmiumsulfid hat typischerweise eine n-Typ-Leitfähigkeit aufgrund des Fehlens von Schwefel relativ zur stöchiometrischen Zusammensetzung.

Die Löslichkeit von Cadmium in Wasser ist vernachlässigbar: 1,5 * 10 -10 mol / l.

2. Verfahren zur Gewinnung von Metallchalkogeniden

Derzeit werden Metallchalkogenide sowohl durch physikalische (Vakuumverdampfung und Kathodenzerstäubung) als auch durch chemische Verfahren (Aerosolsprühen der Reaktionsmischung auf ein auf 400–600 K erhitztes Substrat oder Fällung aus einer wässrigen Lösung) gewonnen. Betrachten wir jede Methode genauer.

Vakuumkondensationsverfahren

Der Kern des Verfahrens besteht darin, die Substanz im Vakuum (P ≥ 10 -3 mm Hg) auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der der Druck den Restdampfdruck um mehrere Größenordnungen übersteigt, gefolgt von einer Kondensation auf dem Substrat.

Prozessschritte:

Verdampfung eines Stoffes;

Der Flug von Atomen einer Substanz zum Substrat;

Abscheidung (Kondensation) von Dampf auf einem Substrat, gefolgt von der Bildung einer Filmstruktur.

Verfahren des kathodischen Vakuumsputterns.

Das Verfahren beruht auf der Zerstörung der Kathode durch Beschuss mit Arbeitsgasmolekülen. Die Kathode ist ein Material, das in Form eines Films abgeschieden werden soll. Zuerst wird Luft aus dem Arbeitsbereich gepumpt, dann wird das Arbeitsgas (Argon oder Stickstoff) in die Kammer eingelassen. Zwischen der Kathode und der Anode wird eine Spannung (3-5 kV) angelegt, die einen Durchbruch des Gasspalts bewirkt. Der Betrieb der Anlage erfolgt in der Nähe der Plasmaentladung.

Arten des Kathodenzerstäubens:

Physikalisch: Im System findet keine chemische Reaktion statt;

Reaktiv: beinhaltet eine chemische Reaktion, dem Arbeitsgas wird ein reaktives Gas (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid) beigemischt, mit dessen Molekülen die versprühte Substanz eine chemische Verbindung eingeht. Durch Veränderung des Partialdrucks des Arbeitsgases ist es möglich, die Zusammensetzung des Films zu verändern.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Vakuumherstellung von Dünnschichtstrukturen große Möglichkeiten und Vielseitigkeit aufweist. Es hat eine Reihe von erheblichen Nachteilen - es erfordert eine komplexe, teure Ausrüstung und gewährleistet auch nicht die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften.

Das attraktivste Verfahren zum Erhalten von Sulfidfilmen im Hinblick auf seine Einfachheit und Effizienz ist die Technologie der hydrochemischen Abscheidung. Gegenwärtig gibt es drei Hauptvarianten dieses Verfahrens: chemische Abscheidung aus Lösungen, elektrochemische Abscheidung und Aufsprühen von Lösungen auf ein erhitztes Substrat mit anschließender Pyrolyse.

Bei der elektrochemischen Abscheidung erfolgt eine anodische Auflösung des Metalls in einer wässrigen Lösung von Thioharnstoff. Der Prozess der Sulfidbildung verläuft in zwei Stufen:

die Bildung von Metallionen an der Anode;

Wechselwirkung von Metallionen mit einem Chalkogenisator.

Trotz der Vorteile des Verfahrens: Steuerbarkeit und deutliche Abhängigkeit der Filmwachstumsrate von der Stromstärke ist das Verfahren nicht wirtschaftlich genug, es bilden sich dünne, ungleichmäßige und amorphe Filme, was eine breite Anwendung dieses Verfahrens in der Praxis verhindert.

Das Verfahren zum Sprühen einer Lösung auf ein erhitztes Substrat (Pyrolyse)

Eine Lösung, die ein Metallsalz und Thioharnstoff enthält, wird auf ein auf 180..250 ᵒС erhitztes Substrat gesprüht. Der Hauptvorteil des Pyrolyseverfahrens ist die Möglichkeit, Filme mit gemischter Zusammensetzung zu erhalten. Das Hardwaredesign umfasst eine Sprühvorrichtung für Lösungen und eine Heizung für das Substrat. Um Filme mit Metallsulfid zu erhalten, ist das stöchiometrische Metall-Schwefel-Verhältnis optimal.

Die chemische Fällung aus wässrigen Lösungen ist von besonderer Attraktivität und großen Aussichten in Bezug auf Endergebnisse. Das hydrochemische Abscheidungsverfahren zeichnet sich durch hohe Produktivität und Wirtschaftlichkeit, Einfachheit des technologischen Designs, die Möglichkeit aus, Filme auf einer Oberfläche mit komplexer Form und unterschiedlicher Beschaffenheit abzuscheiden sowie die Schicht mit organischen Ionen oder Molekülen zu dotieren, die keine hohen Temperaturen zulassen Erhitzen und die Möglichkeit einer „sanftchemischen“ Synthese. Letzteres erlaubt es uns, diese Methode als die vielversprechendste für die Herstellung von inhärent metastabilen Metallchalkogenidverbindungen mit komplexer Struktur zu betrachten.

Die hydrochemische Fällung wird in einem Reaktionsbad durchgeführt, das ein Metallsalz, Alkali- und Komplexbildner und einen Chalkogenisator enthält. Der Prozess der Sulfidbildung wird durch eine kolloidchemische Stufe realisiert und stellt eine Reihe von topochemischen und autokatalytischen Reaktionen dar, deren Mechanismus nicht vollständig verstanden ist.

3. Anwendung von Filmen basierendCDS

Dünnfilm-Cadmiumsulfide werden häufig als Photodetektoren, photolumineszierende Materialien, Thermoelemente, Solarzellen, Sensormaterialien, dekorative Beschichtungen und vielversprechende nanostrukturierte Katalysatoren verwendet.

4. Beschreibung der ProduktionstechnologieCDS

Das technologische Schema zur Herstellung empfindlicher Elemente von Fotowiderständen umfasst die folgenden Vorgänge:

1. Substratvorbereitung (Reinigen, Ätzen, Waschen);

Chemische Abscheidung eines Halbleiterfilms;

Waschen und Trocknen von Filmen;

Wärmebehandlung der Halbleiterschicht unter der Ladungsschicht bei 400 ᵒС für 2 Stunden;

Vakuumabscheidung von AI-Kontakten;

Schreiben;

Ausgabesteuerung von FR-Chips-Parametern.

.1 Vorbereitung von Substraten für die Filmabscheidung

Die Filmabscheidung wird auf zuvor entfetteten Substraten durchgeführt. Die Substrate werden gründlich mit Soda entfettet, mit Leitungswasser gespült und nach dem Einbau in eine Fluorkunststoffhalterung 20 Sekunden lang in eine verdünnte Dash-Lösung gelegt, um die Oberfläche zu ätzen und die Filmhaftung zu erhöhen. Nach der Behandlung im Dash-Ätzmittel werden die Substrate mit einer großen Menge erhitztem destilliertem Wasser gespült und bis zum Beginn des Prozesses in einem Becherglas unter einer Schicht aus destilliertem Wasser gelagert.

Die Qualität der Oberflächenvorbereitung des Substrats wird durch den Grad seiner Benetzbarkeit bestimmt: Auf einem sorgfältig vorbereiteten Substrat verteilt sich destilliertes Wasser in einer gleichmäßigen Schicht. Es ist strengstens verboten, das fettfreie Substrat mit den Händen zu nehmen.

4.2 Chemische Abscheidung eines Halbleiterfilms

Sitall wird als Substratmaterial für die Abscheidung von CdS-Schichten verwendet.

Die folgenden chemischen Reagenzien werden für die Synthese von CdS-Halbleiterfilmen verwendet:

Cadmiumchlorid, CdCl 2 ·H 2 O;

Thioharnstoff, CSN 2 H 4, hochrein;

wässrige Ammoniaklösung, NH 3 aq, 25 %, chemisch rein.

Die Reihenfolge des Ablassens der Reagenzien zur Herstellung der Arbeitslösung ist streng festgelegt. Die Notwendigkeit hierfür ergibt sich aus der Tatsache, dass der Prozess der Ausfällung von Chalkogeniden heterogen ist und seine Geschwindigkeit von den Anfangsbedingungen für die Bildung einer neuen Phase abhängt.

Die Arbeitslösung wird durch Mischen der berechneten Volumina der Ausgangsmaterialien hergestellt. Die Filme werden in einem 100-ml-Molybdänglasreaktor synthetisiert. Zuerst wird das berechnete Volumen an Cadmiumsalz in den Reaktor eingeführt, dann wird wässriges Ammoniak eingeführt und destilliertes Wasser wird zugegeben. Dann wird Thioharnstoff zugegeben. Die Lösung wird gerührt und das vorbereitete Substrat wird sofort darin eingetaucht und in einer Fluorkunststoffhalterung fixiert. Das Substrat wird mit der Arbeitsfläche nach unten in einem Winkel von 15 - 20° in den Reaktor eingebaut. Ab diesem Moment beginnt mit Hilfe einer Stoppuhr der Countdown der Zeit des Syntheseprozesses. Der Reaktor wird dicht verschlossen und in einen U-10-Thermostat gestellt. Die Genauigkeit der Aufrechterhaltung der Synthesetemperatur beträgt ±0,01 °C. Seit einiger Zeit treten keine Änderungen an der Lösung auf. Dann beginnt die Lösung zu trüben und es bildet sich ein gelber Spiegelfilm auf der Oberfläche des Substrats und den Wänden des Reaktors. Die Einschwingzeit beträgt 60 min. Die Ausfällung wird bei einer Temperatur von 70 °C durchgeführt.

4.3 Verarbeitung des abgeschiedenen Films

Nach Ablauf der angegebenen Synthesezeit wird der Reaktor vom Thermostaten entfernt, das Substrat mit der Halterung entnommen und mit einer großen Menge (0,5–1,0 l) erhitztem destilliertem Wasser gewaschen. Danach wird das Substrat aus dem Halter entfernt, die Arbeitsfläche des Substrats (diejenige, auf der der Film abgeschieden wurde) wird vorsichtig mit in destilliertem Wasser getränkter Watte abgewischt, und das Sediment wird von der Rückseite entfernt. Dann wird das Substrat mit dem Film erneut mit destilliertem Wasser gewaschen und auf Filterpapier getrocknet, bis sichtbare Feuchtigkeitsspuren entfernt sind.

4.4 Wärmebehandlung

Gründlich gewaschen und getrocknet gehen die Substrate in den nächsten Arbeitsgang: die Wärmebehandlung. Es wird in Muffelöfen PM-1.0-7 oder PM-1.0-20 durchgeführt, um Spannungen abzubauen und die elektrischen Eigenschaften der Filme zu verbessern. Der Prozess dauert 2 Stunden bei einer Temperatur von 400 °C, gefolgt von einem Abkühlen auf Raumtemperatur.

4.5 Vakuumabscheidung von AI-Kontakten

Metallfilme werden bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und Mikroschaltungen als nicht gleichrichtende (ohmsche) Kontakte sowie als passive Komponenten (Leiterbahnen, Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten) verwendet. Die Hauptmethode zur Herstellung von Metallfilmen ist die Vakuumabscheidung (thermisches Aufdampfen im Vakuum) verschiedener Metalle (Aluminium, Gold usw.), da sie mehrere Vorteile hat: Reinheit und Reproduzierbarkeit von Abscheidungsprozessen, hohe Produktivität, die Möglichkeit der Abscheidung von einem oder mehr Metalle auf Halbleiterwafern in einem Vorgang und Schmelzen des abgeschiedenen Metallfilms und Vakuum, um ihn vor Oxidation zu schützen, die einfache Steuerung des Abscheidungsprozesses und die Möglichkeit, Metallfilme verschiedener Dicken und Konfigurationen zu erhalten, wenn Metalle unter Verwendung von Masken abgeschieden werden.

Das Sprühen wird auch in einer Vakuumanlage mit einem Restdruck unter der Kappe in der Größenordnung von 6,5 × 10 Pa (5 × 10 –6 mm Hg) durchgeführt. Ein solcher Druck wird so gewählt, dass es zu keinen Kollisionen zwischen den verdampften Metallatomen und den Molekülen des Restgases unter der Haube der Anlage kommt, die zur Bildung von Filmen mit gestörter Struktur führen.

Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen zur Abscheidung verschiedener Schichten auf Halbleiterwafern und anderen Substraten werden mehrere Modelle von Vakuumabscheidungsanlagen verwendet, die sich durch verschiedene Konstruktionslösungen voneinander unterscheiden, hauptsächlich eine Kappenvorrichtung sowie ein Vakuumsystem. ein Energieversorgungssystem zur Überwachung von Prozessparametern und Steuerung von Betriebsarten, Förder- und Hilfseinrichtungen zum Verdampfen oder Sprühen.

Für die thermische Schichtabscheidung und das Sputtern in diesen Anlagen werden jeweils Widerstands- und Elektronenstrahlgeräte verwendet, und für das Sputtern durch Ionenbeschuss Entladungsgeräte. Trotz einiger Nachteile (Schwierigkeit beim Verdampfen von feuerfesten Materialien, hohe Trägheit, Änderung des Komponentenverhältnisses beim Verdampfen von Legierungen) sind Anlagen mit Elektronenstrahl- und insbesondere mit Widerstandsverdampfern aufgrund ihrer einfachen Bedienung in der Halbleiterfertigung weit verbreitet. Daher konzentrieren wir uns auf Geräte mit Widerstandsverdampfer, deren Basismodell das UVN-2M-Gerät ist.

4.6 Schreiben

Aus einem Substrat mit einem darauf abgeschiedenen Film werden Chips einer bestimmten Größe durch Ritzen ausgeschnitten (die Standardzeit beträgt 25 min pro Substrat). Die halbautomatische Ritzmaschine ZhK 10.11 ist zum Aufbringen eines Rasters aus Kerben auf Halbleiterwafern ausgelegt. Sie brechen die Platten mit den angewandten Risiken, indem sie sie mit einer Gummiwalze manuell oder auf speziellen Anlagen rollen. Das halbautomatische Gerät ist in einem auf dem Tisch befestigten Raumanzug installiert, der zur Schaffung eines Mikroklimas dient. Sie arbeiten an einem halbautomatischen Gerät in Gummihandschuhen, die in die Vorderwand des Anzugs eingebaut sind. Der Arbeitsplatz wird durch Tageslichtlampen beleuchtet, die im oberen Teil des Anzugs installiert sind. Ziehspuren werden durch den in der Schwinge befestigten Diamantschneider erzeugt.

Cadmiumsulfid elektrophysikalisches Vakuum

4.7 Ausgabesteuerung von "Chip"-Parametern

Zunächst werden die Chips einer Sichtkontrolle auf die Qualität der Beschichtung unterzogen. Schichtheterogenitäten, Flecken, Unregelmäßigkeiten, Bereiche mit schlechter Haftung werden festgestellt.

Die Leistungskontrolle erfolgt auf den K.50.410 Einheiten (die Standardzeit beträgt 2 Minuten pro „Chip“).

5. Abrechnungsteil

.1 Berechnung der FormationsrandbedingungenCDS, CD(Oh) 2 undCdCN 2

Es ist notwendig, die Randbedingungen für die Ausfällung von Bleisulfid, -hydroxid und -cyanamid bei den folgenden Anfangskonzentrationen, mol/l, zu finden:

0,4

Die Grundlage der hydrochemischen Synthese ist die Reaktion:

CdL x 2+ + N 2 H 4 CS(Se) + 4OH - \u003d CdS + CN 2 2- + 4H 2 O

Im Reaktionsgemisch ist die Bildung folgender Komplexverbindungen möglich (Tabelle 1):

Tabelle 1 Ausgangsdaten zur Berechnung der Bedingungen für die hydrochemische Fällung von CdS, Cd(OH) 2 , CdCN 2

Verbindung (Komplexion)

Lassen Sie uns α Me z + berechnen, dafür verwenden wir den Ausdruck:

wobei α Me z + - fraktionelle Konzentration von nicht komplexierten Metallionen; L die Ligandenkonzentration ist; k 1 , k 1,2 ,…k 1,2… n - Instabilitätskonstanten verschiedener komplexer Metallformen.

Für das Ammoniaksystem hat der Ausdruck die Form:
8,099∙10 -9

Lassen Sie uns eine grafische Abhängigkeit pC n =f (pH) erstellen (Abb. 2).

Reis. 2. Randbedingungen für die Bildung von Cadmiumsulfid, -hydroxid und -cyanamid.

Basierend auf dem Diagramm können wir schließen, dass es in diesem System möglich ist, einen CdS-Film bei pH = 9,5–14, Cd(OH) 2 bei pH = 10,5–14 zu bilden, und CdCN 2 wird überhaupt nicht gebildet.

Einführung

Derzeit beträgt die Anzahl der in der Elektrotechnik für verschiedene Zwecke verwendeten Materialien mehrere Tausend. Nach der allgemeinsten Klassifizierung werden sie in vier Klassen eingeteilt: Leiter, Halbleiter, Dielektrika und magnetische Materialien. Zu den wichtigsten und relativ neuen Materialien zählen halbleiterchemische Verbindungen, unter denen Verbindungen des Typs A II B VI von größtem wissenschaftlichen und praktischen Interesse sind. Eines der bedeutendsten Materialien dieser Gruppe ist CdS.

CdS ist die Grundlage der modernen IR-Technologie, da sein Lichtempfindlichkeitsspektrum das atmosphärische Transparenzfenster (8-14 Mikrometer) überlappt, in dem alle Umgebungsobjekte strahlen. Dies ermöglicht den Einsatz in militärischen Angelegenheiten, Ökologie, Medizin und anderen Bereichen menschlicher Aktivität. Bisher wird CdS in Filmform durch ein hydrochemisches Verfahren gewonnen.

Ziel dieses Kursprojekts ist die Durchführung eines Projekts zur Herstellung empfindlicher Elemente von Fotowiderständen auf CdS-Basis nach dem hydrochemischen Verfahren mit einer Kapazität von 100.000 Stück / Jahr sowie die Einarbeitung in das Berechnungsverfahren zur vorläufigen Bestimmung der Bedingungen zur Bildung von CdS, Cadmiumhydroxid und Cyanamid.

Charakterisierung von Cadmiumsulfid

Das Diagramm des Cd-S-Systems wurde nicht erstellt, es gibt eine CdS-Verbindung im System, die in zwei Modifikationen existiert: b (hexagonal) und c (cubic). CdS kommt natürlicherweise als die Mineralien Greenockit und Howleyit vor.

Kristallstruktur

Verbindungen des Typs A II B VI kristallisieren meist in der Struktur von Sphalerit oder Wurtzit. Die Struktur von Sphalerit ist kubisch, Typ B-3, Raumgruppe F4 3m (T d 2). Die Struktur von Wurtzit ist hexagonal, Typ B-4, Raumgruppe P 6 3 mc (C 6v 4). Diese Strukturen sind einander sehr ähnlich, sie haben die gleiche Anzahl von Atomen in der ersten und zweiten Koordinationssphäre – 4 bzw. 12. Die interatomaren Bindungen in den Tetraedern beider Modifikationen sind sehr eng.

Cadmiumsulfid wurde sowohl mit Sphalerit- als auch mit Wurtzit-Strukturen erhalten.

Thermodynamische und elektrophysikalische Eigenschaften

Cadmiumsulfid ist eine einseitige Phase variabler Zusammensetzung, die stets einen Cadmiumüberschuss aufweist. Cadmiumsulfid sublimiert beim Erhitzen auf 1350 ° C bei Atmosphärendruck ohne Schmelzen, im Vakuum bei 180 ° C destilliert es ohne Schmelzen und ohne Zersetzung, unter einem Druck von 100 atm schmilzt es bei einer Temperatur von etwa 1750 ° C. Der Dissoziationsgrad von Cadmium bei Temperaturen über 1000 °C erreicht 85-98 %. Die Bildungswärme von CdS D H 298 0 \u003d -34,71 kcal / mol.

Je nach Herstellungsbedingungen und Wärmebehandlung können die Eigenschaften von CdS unterschiedlich sein. Somit haben Kristalle, die in einem Überschuss an Cadmiumdampf gezüchtet wurden, eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Kristalle, die unter Bedingungen einer stöchiometrischen Zusammensetzung gezüchtet wurden. Der spezifische Widerstand von CdS kann abhängig von verschiedenen Faktoren über einen weiten Bereich variieren (von 10 12 bis 10 -3 Ohm * m).

Abweichungen von der Stöchiometrie haben einen entscheidenden Einfluss auf die elektrophysikalischen Eigenschaften von CdS. Der Eintrag von Sauerstoff in die Proben führt zu einer starken Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit. Die aus optischen Daten bestimmte Bandlücke von CdS beträgt 2,4 V. Cadmiumsulfid hat typischerweise eine n-Typ-Leitfähigkeit aufgrund des Fehlens von Schwefel relativ zur stöchiometrischen Zusammensetzung.

Die Löslichkeit von Cadmium in Wasser ist vernachlässigbar: 1,5 * 10 -10 mol / l.

Cadmium(II)-oxid

Beim Erhitzen an der Luft entzündet sich Cadmium unter Bildung von Cadmiumoxid CdO (Molekulargewicht 128,41). Das Oxid kann auch durch Calcinieren von Nitrat- oder Carbonatsalzen von Cadmium erhalten werden. Auf diese Weise wird das Oxid in Form eines braunen Pulvers erhalten, das zwei Modifikationen aufweist: amorph und kristallin. Beim Erhitzen wird ein amorphes Oxid kristallin und kristallisiert im kubischen System: Es adsorbiert Kohlendioxid und verhält sich wie eine starke Base. Die Umwandlungswärme von CdO AMORPH CdO CRIST beträgt 540 cal.

Die Dichte von künstlich hergestelltem Oxid liegt zwischen 7,28 und 8,27 g/cm 3 . In der Natur bildet CdO auf dem Galmy einen schwarzen Belag mit einer Dichte von 6,15 g/cm 3 . Schmelzpunkt 1385°.

Cadmiumoxid wird durch Wasserstoff, Kohlenstoff und Kohlenmonoxid reduziert. Wasserstoff beginnt CdO bei 250-260° gemäß der reversiblen Reaktion zu reduzieren:

CdO + H 2 Cd + H 2 O,

Was bei 300° schnell endet.

Cadmiumoxid ist in Säuren und in einer Lösung von Zinksulfat nach einer reversiblen Reaktion gut löslich:

CdO + H 2 O + ZnSO 4 CdSO 4 + Zn (OH) 2.

Cadmiumsulfid

Sulfid (CdS, Molekulargewicht 144,7) ist eine der wichtigen Verbindungen von Cadmium. Es löst sich in konzentrierten Salz- und Salpetersäurelösungen, in siedender verdünnter Schwefelsäure und in Eiseneisenlösungen; in der Kälte löst es sich schlecht in Säuren und ist in verdünnter Schwefelsäure unlöslich. Löslichkeitsprodukt von Sulfid 1,4·10 –28 . Kristallines Sulfid kommt in der Natur in Form von Grenakit als Beimischung zu Erzen von Schwer- und Nichteisenmetallen vor. Es kann künstlich durch Verschmelzen von Schwefel mit Cadmium oder Cadmiumoxid gewonnen werden. Wenn metallisches Cadmium mit Schwefel verschmolzen wird, wird die Entwicklung der Reaktion der Sulfidbildung durch CdS-Schutzfilme gehemmt. Reaktion

2CdO+3S=2CdS+SO2

beginnt bei 283° und verläuft bei 424° mit hoher Geschwindigkeit.

Drei Modifikationen von CdS sind bekannt: amorph (gelb) und zwei kristallin (rot und gelb).Die rote Variante des kristallinen Sulfids ist schwerer (sp. Gewicht 4,5) gelb (sp. Gewicht 3). Amorphes CdS wird kristallin, wenn es auf 450°C erhitzt wird.

Cadmiumsulfid oxidiert beim Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre je nach Brenntemperatur zu Sulfat oder Oxid.

Cadmiumsulfat

Cadmiumsulfat (CdSO 4 , Molekulargewicht 208,47) ist ein weißes kristallines Pulver, das im orthorhombischen System kristallisiert. Es ist leicht löslich in Wasser, aber unlöslich in Alkohol. Das Sulfat kristallisiert aus einer wässrigen Lösung in einem monoklinen System mit 8/3 Wassermolekülen (CdSO 4 8 / 3H 2 O), ist bis 74 ° stabil, verwandelt sich aber bei höherer Temperatur in Ein-Wasser-Sulfat (CdSO 4 H 2 O) Mit steigender Temperatur nimmt die Löslichkeit von Sulfat leicht zu, aber mit weiterer Temperaturerhöhung nimmt sie ab, wie in Tabelle 3 gezeigt:

Tisch 3

Es wurde die Existenz von drei Sulfatmodifikationen festgestellt: b, c und d. Nach der Isolierung des letzten Wassermoleküls bei 200° aus dem kristallinen 3CdSO 4 ·8H 2 O-Hydrat wird eine b-Modifikation gebildet, die stabil ist bis 500°; bei weiterer Temperaturerhöhung entsteht die s-Modifikation, die bei Temperaturen über 735° in die z-Modifikation übergeht. Die Hochtemperaturmodifikationen (c und d) wandeln sich beim Abkühlen in die b-Modifikation um.

Die Erfindung kann in der anorganischen Chemie verwendet werden. Das Verfahren zur Gewinnung von kristallinem Cadmiumsulfid umfasst das Platzieren von sulfatreduzierenden Bakterien in einem synthetischen Medium, das Metalle enthält, und das Hinzufügen von Nährstoffen, einschließlich Lösungen von Vitaminen, Salzen, Cofaktoren. Bei der Kultivierung werden die sulfatreduzierenden Bakterien Desulfovibrio sp. A2 und ein synthetisches Medium, das eine Quelle für Cadmiumionen enthält - eine Lösung von Cadmiumchlorid. Die Konzentration an Cadmiumionen im synthetischen Medium beträgt 150 mg/l. Eine Aluminiumfolie wurde in das Kulturgefäß gelegt, die Kultur wurde 18 Tage lang bei 28°C durchgeführt. Der von der Folie und vom Boden des Fläschchens gesammelte Niederschlag, der Kristalle von Cadmiumsulfid enthält, wird getrocknet. WIRKUNG: Die Erfindung ermöglicht die Gewinnung von Cadmiumsulfid aus Abwässern und flüssigen Abfällen von Hüttenbetrieben. 2 Abb., 3 Tabellen, 1 Pr.

Zeichnungen zum RF-Patent 2526456

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Cadmiumsulfid (CdS) aus metallhaltigen Lösungen mit sulfatreduzierenden Bakterien (SRP).

Das vorgeschlagene Verfahren kann verwendet werden, um reines Cadmiumsulfid aus metallionenhaltigem Abwasser, einschließlich Cadmium, und flüssigen Abfällen aus Bergbau- und verarbeitenden metallurgischen Unternehmen zu gewinnen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, Cadmium selektiv in Form von Sulfiden auszufällen. Diese Eigenschaft ermöglicht es, flüssige Abfälle aus metallurgischen Betrieben und Abwasser als sekundäre Rohstoffquelle für die Herstellung von Cadmiumsulfiden zu verwenden. Cadmiumsulfid wird in Halbleiterlasern verwendet, ist ein Material zur Herstellung von Fotozellen, Solarzellen, Fotodioden, Leuchtdioden, Phosphor, Pigmenten für Kunstfarben, Glas und Keramik. Cadmiumsulfid-Pigmente werden wegen ihrer guten Temperaturstabilität in vielen Polymeren, wie z. B. technischen Kunststoffen, geschätzt. Indem in CdS-Kristallen ein Teil der Schwefelatome durch Selen ersetzt wird, kann eine Vielzahl von Farbstofffarben von grün-gelb bis rot-violett erhalten werden. Cadmiumsulfid ist ein Wide-Gap-Halbleiter. Diese Eigenschaft von CdS wird in der Optoelektronik sowohl in Fotodetektoren als auch in Solarbatterien genutzt. Aus Einkristallen von Cadmiumsulfid werden Szintillatoren zum Nachweis von Elementarteilchen und Gammastrahlung hergestellt.

In der Natur kommt Cadmiumsulfid als die Mineralien Greenockit und Howleyit vor, die als gelbe Ablagerungen auf Sphalerit (ZnS) und Smithsonit vorkommen. Da diese Mineralien in der Natur nicht weit verbreitet sind, wird Cadmiumsulfid durch Synthese für die industrielle Nutzung und wissenschaftlich-technische Arbeiten gewonnen.

Cadmiumsulfide werden durch chemische Verfahren gewonnen - durch Erhitzen von Schwefel mit Cadmium oder durch Überleiten von Schwefelwasserstoff über Cadmium, Cadmiumoxid oder -chlorid beim Erhitzen. Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von pulverförmigen Sulfiden von Cadmium und Blei (RF-Patent, Nr. 2203855, C01G 11/02, C01G 21/21, 2003). Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Pulvermaterialien in Salzschmelzen. Die Synthese wird in einem geschmolzenen Medium durchgeführt. Das geschmolzene Medium wird durch kristallinen Thioharnstoff gebildet und enthält als metallhaltige Komponente wasserfreies Cadmium oder Bleiacetate. Die Synthese wird durch Mischen von Pulvern eines der angegebenen Salze und Thioharnstoff bei einem 2- bis 4-fachen molaren Überschuss an Thioharnstoff und weiteres Halten bei 160-180°C für 20-30 Minuten durchgeführt. Die praktische Ausbeute der durch das vorgeschlagene Verfahren erhaltenen Produkte beträgt über 95 %. Außerdem enthalten sie eine Beimischung von elementarem Schwefel (3-4 Gew.-%), der je nach weiterer Verwendung des Produktes durch Waschen mit einem organischen Lösungsmittel (Toluol, Tetrachlorkohlenstoff etc.) entfernt werden kann. Die Nachteile dieser Methode sind der Energieverbrauch der Produktion und die Notwendigkeit, spezielle, teure Geräte zu verwenden. Darüber hinaus hat die chemische Produktion negative Auswirkungen auf die Umwelt.

Die Bildung von Cadmiumsulfid-Kristalliten auf der Zelloberfläche durch die Bakterien Klebsiella pneumonia und Clostridium thermoaceticum ist bekannt (Aiking H. et al. Detoxification of mercury, cadmium, and lead in Klebsiella aerogenes NCTC 418 wachsend in kontinuierlicher Kultur // Appi Environ Microbiol. 1985 Nov;50(5 - S.1262-1267; PR Smith et al. PHOTOPHYSICAL AND PHOTOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF BACTERIAL SEMICONDUCTOR CADMIUM-SULFIDE PARTICLES // Journal of the Chemical Society. Faraday Transactions. - 1998, 94(9). - S .1235-1241 ).

CdS-Kristalle, die auf der Oberfläche der K. pneumonia-Bakterien synthetisiert werden, absorbieren effektiv UV-Licht, wodurch das Bakterium vor seinen schädlichen Auswirkungen geschützt wird. Das fluoreszierende Tiefseebakterium Pseudomonas aeruginosa entfernt Cadmium aus dem Medium, indem es CdS-Kristalle an der Zellwand bildet (Wang CL et al. Cadmium Removal by a newstamm of Pseudomonas aeruginosa in aerobic culture // Appl. Environ. Microbiol. - 1997, 63 . - S. 4075-4078). Die Größe von Cadmiumsulfid-Kristalliten variiert von mehreren zehn Mikrometern außerhalb der Zellen bis zu mehreren zehn Angstrom innerhalb der Zellen oder auf ihrer Oberfläche. Cadmiumsulfidkristallite werden nur unter bestimmten Bedingungen gebildet, damit Organismen ungünstige Umweltbedingungen ertragen können.

Das der beanspruchten Erfindung im Wesentlichen und dem erreichten Ergebnis am nächsten kommende Verfahren ist ein Verfahren zum Entfernen niedriger Konzentrationen von Cadmiumionen unter Verwendung eines Bioreaktors mit sulfatreduzierenden Bakterien (Hiroshi H. et al. Removal of Low Concentrated Cadmium Ions Using Fixed-bed Sulfate-Reducing Bioreactor with FS Carrier // Journal of the Mining and Materials Processing Institute of Japan, 2003, V.119, No. 9, pp.559-563). Die Rückgewinnung von Schwermetallionen aus Wasser erfolgte in einem Bioreaktor mit immobilisierten sulfatreduzierenden Bakterien auf faseriger Schlacke, die als Bioträger diente. Dabei werden Sulfationen in der Flüssigkeit biologisch in Schwefelwasserstoff (H 2 S) umgewandelt, der mit Metallionen zu ultrafeinen Metallsulfidpartikeln reagiert. Dann werden die resultierenden Partikel auf der Oberfläche des Trägers im oberen Teil des Reaktors gesammelt, was zur Ansammlung von Schwermetallionen und ihren Sulfiden führt. Bei kontinuierlicher Aufbereitung von mit 6 mg/l Cadmium belastetem Wasser erfolgte eine nahezu vollständige Entfernung über einen Zeitraum von ca. 30 Tagen.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass sein Einsatz nur bei geringen Konzentrationen von Cadmiumionen in der Umgebung möglich ist und kein kristallines Cadmiumsulfid entsteht.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von kristallinem Cadmiumsulfid aus Lösungen mit einem hohen Gehalt an Cadmiumionen (bis zu 150 mg/l), die keine Verunreinigungen anderer Metallsulfide enthalten, unter Verwendung von Sulfat-reduzierenden Bakterien, die gegen hohe Konzentrationen resistent sind Konzentrationen von Cadmiumionen.

Das Problem wird gelöst, indem SRP, das sehr widerstandsfähig gegen Cadmiumionen ist, in ein synthetisches Medium gegeben wird, das metallhaltiges Abwasser simuliert, unter Zugabe von Nährstoffen, einschließlich Lösungen von Vitaminen, Salzen, Cofaktoren, Laktat, Natriumsulfid, mit weiterer Kultivierung in einem Thermostat und Trocknen, aber im Gegensatz zum Prototyp werden SRBs verwendet, die gegen Cadmiumionen resistent sind, dem Medium wird Aluminiumfolie hinzugefügt, die Kultivierung wird bei einer Temperatur von 28°C für 18 Tage durchgeführt.

Die Kultivierung erfolgt in einem synthetischen Medium (Tabelle 1 - Zusammensetzung des synthetischen Mediums) unter Zugabe von Nährstoffen, die das Wachstum von Bakterien stimulieren. Dem synthetischen Medium werden vor der Inokulation der Bakterienkultur Nährstoffe und zweiwertiges Cadmium zugesetzt. Die Zusammensetzung der Nährstoffe und die Reihenfolge ihrer Einführung sind in Tabelle 2 gezeigt. Alle Nährstoffe, mit Ausnahme von Vitaminen, werden bei 1 atm für 30 Minuten autoklaviert. Die Vitamine werden durch Filtration mit einem Bakterienfilter (0,20 µm) sterilisiert.

Die Aussaat erfolgt in sterilen Behältern mit eingebetteter Folie, das Volumen des Inokulums (CRP-Kultur) in Höhe von 10 % des Volumens des Behälters. Tanks mit Inokulum werden mit synthetischem Medium (mit allen hinzugefügten Nährstoffen) bis oben gefüllt. Der pH-Wert des Mediums wird mit einer NaHCO 3 -Lösung auf 7,0–7,8 eingestellt. Die Fläschchen werden mit Aluminiumkappen verschlossen, versiegelt und in einen Thermostaten bei 28°C gestellt. Die Bildung von Cadmiumsulfidkristallen erfolgt auf der Folie und teilweise auf dem Boden des Fläschchens. Nach der Kultivierung wird der Niederschlag von der Folie gesammelt und vom Boden des Fläschchens zentrifugiert und an der Luft getrocknet. Beispiele der Erfindung im Labor sind unten angegeben.

Eine Reinkultur von SRB Desulfovibrio sp. A2 wurde auf einem synthetischen Medium kultiviert, das zweiwertiges Cadmium in einer Konzentration von 150 mgCd/l und Aluminiumfolie enthielt. Cadmiumsulfid-Kristalle wurden auf Folie und teilweise auf dem Boden eines 120-ml-Fläschchens erhalten. Die Fläschchen aus Aluminiumfolie wurden durch trockene Hitze in einem Sterilisator bei 160°C für 2,2 Stunden sterilisiert.

Die Aussaat erfolgte in einer sterilen Laminar-Flow-Kabine, die zuvor 30 Minuten mit UV-Licht desinfiziert wurde. Vor der Inokulation wurde das synthetische Medium (Tabelle 1) zum Sieden gebracht und dann schnell unter fließendem kaltem Wasser abgekühlt, um gelösten Sauerstoff zu entfernen. Nährstoffe wurden dem auf Raumtemperatur abgekühlten Medium (Tabelle 2) (pro 1 l) in der folgenden Reihenfolge zugesetzt: Vitamine (2 ml), Salzlösung (10 ml), Cofaktorlösung (1 ml), organisches Substrat – Laktat (1 0,6 ml), NaHCO 3 -Lösung (pH wurde auf 7,0–7,8 eingestellt), Natriumsulfidlösung (2 ml). Eine Stammlösung von Cadmium (CdCl 2 x 2,5 H 2 O 2 g pro 100 ml Wasser) wurde in einer Menge von 16,72 ml pro 1 Liter synthetischem Medium zugegeben (dadurch wurde eine Cadmiumkonzentration im Medium von 150 mg/l erreicht). ).

Etwa 50 ml synthetisches Medium mit Zusätzen und 10 ml Inokulum (Bakterienkultur) wurden in Folienampullen gegeben, wonach das Medium aufgefüllt wurde. Gummistopfen wurden mit einer sterilen Nadel an den Rändern der Fläschchen gerieben, wodurch die Möglichkeit des Eindringens von Luftsauerstoff verringert wurde. Am Ende des Impfens wurden die Kolben mit Aluminiumkappen verschlossen, der Kolben wurde mit einem Verschließer verschlossen und der Thermostat wurde auf 28°C eingestellt. Die Kristallisation von Cadmiumsulfid beginnt nach 10 Tagen Kultivierung, während einer 18-tägigen Kultivierung kristallisiert Cadmiumsulfid vollständig aus. Der gebildete Niederschlag wurde von der Folie gesammelt und vom Boden des Fläschchens zentrifugiert und an der Luft getrocknet. Die Masse des gebildeten Niederschlags beträgt 0,38 g.

Der Niederschlag wurde unter Verwendung von Rasterelektronenmikroskopie (Philips SEM515 mit EDAX ECON IV-Analysator) untersucht. Die kristalline Phase wurde durch Röntgenphasenanalyse auf einem Diffraktometer Shimadzu XRD 6000 bestimmt.

Die Größe der Kristalle, bestimmt unter einem Rasterelektronenmikroskop, betrug 50-300 μm, Abbildung 1 - Mikroskopische Aufnahmen (REM) von Sedimenten, die während der Kultivierung von Desulfovibrio sp. A2 in Gegenwart von Cd-Ionen (150 mg/l) für 18 Tage und der entsprechenden EMF. Bei der Kultivierung des Stammes Desulfovibrio sp. A2 enthielt Cadmium, Schwefel, Eisen, Sauerstoff, Kohlenstoff und Natrium, wobei Kohlenstoff und Sauerstoff aus dem Kohlenstoffsubstrat stammten, auf dem die Probe lag. Das Verhältnis der Elemente ist in Tabelle 3 dargestellt – die elementare Zusammensetzung der Sedimente, die während der Kultivierung von Desulfovibrio sp. A2 in Gegenwart von Cd-Ionen (150 mg/l) für 18 Tage (Elemente C und O stammen aus dem Substrat, auf dem die Probe lag).

Bei der Untersuchung der Ausfällung mittels Röntgenphasenanalyse wurde die Bildung von kristallinem Cadmiumsulfid für 18 Tage gezeigt (Abbildung 2 - Beugungsmuster der Ausfällung, erhalten durch Kultivieren von Desulfovibrio sp. A2 in Gegenwart einer Anfangskonzentration von Cd (150 mg/l ) für 18 Tage Symbole auf dem Beugungsmuster: CdS - Cadmiumsulfid).

In den Kontrollsedimenten, die durch Inkubation ohne Zugabe eines Inokulums erhalten wurden, wurde keine kristalline Phase beobachtet und die Hauptelemente waren Cadmium und Sauerstoff. Das vorgeschlagene Verfahren beinhaltet die Möglichkeit, Abwässer und flüssige Abfälle aus Bergbau- und verarbeitenden Hüttenbetrieben als synthetisches Medium für die Herstellung von Cadmiumsulfid zu verwenden.

Tabelle 1
Reagens	Konzentration, mg/l
Na2SO4	4000
MgCl 2 6H 2 O	400
NaCl (25%)	0,0125*
FeSO 4 * 7H 2 O	2,1
N3 IN 3	0,03
MnCl 2 *4H 2 O	0,1
CoCl 2 *6H 2 O	0,19
NiCl 2 *6H 2 O	0,024
CuCl 2 *2H 2 O	0,002
ZnSO 4 *7H 2 O	0,144
Na 2 MoO 4 * 2 H 2 O	0,036
CuSO 4 * 7H 2 O	750
H2O	1 l
* -ml/l

Tabelle 2
Lösung (eingegebene Menge pro 1 Liter synthetisches Medium)
	Reagens	Konzentration
	4-Aminobenzoesäure	4mg/l
	Biotin (Vitamin H)	1mg/l
	Nicotinsäure (Vitamin B 5)	10mg/l
1. Vitamine (2 ml/l)	Calciumpantothenat (Vitamin B 3)	5mg/l
	Pyridoxindihydrochlorid (Vitamin B 6)	15mg/l
	Cyanocobalamin (Vitamin B 12)	5mg/l
	Thiamin (Vitamin B1)	10mg/l
	Riboflavin (Vitamin B2)	0,5 mg/l
	Folsäure	0,2 mg/l
	KH2PO4	20g/l
	NH4Cl	25g/l
2. Salzlösung (10 ml/l)	NaCl	100g/l
	KCl	50g/l
	CaCl2	11,3 g/l
	H2O	1 l
3. Lösung von Cofaktoren (1ml/l)	NaOH	4g/l
	Na 2 SeO 3 × 5H 2 O	6mg/l
	Na 2 WO 4 × 2 H 2 O	8mg/l
4. Laktatlösung (1,6 ml/l)
	Laktat	40%
5. Na 2 S-Lösung (2 ml/l)
	Na 2 S × 9 H 2 O	4,8g

Tisch 3
Element	Gewichtsanteil (Gew.-%)	Atombruch (At %)
VON	7,56	15,1
Ö	2,75	4,1
N / A	0,41	0,4
S	23,3	44,5
CD	64,7	35,4
Fe	1,28	0,5

BEANSPRUCHEN

Verfahren zur Gewinnung von kristallinem Cadmiumsulfid durch Einbringen von sulfatreduzierenden Bakterien in ein synthetisches Medium, das Metalle enthält, unter Zugabe von Nährstoffen, einschließlich Lösungen von Vitaminen, Salzen, Cofaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Kultivierung sulfatreduzierende Bakterien Desulfovibrio sp. A2, ein synthetisches Medium verwenden, das eine Cadmiumionenquelle enthält – eine Lösung von Cadmiumchlorid, und die Konzentration von Cadmiumionen im synthetischen Medium 150 mg/l beträgt, während Aluminiumfolie in das Kulturgefäß gegeben wird, bei dem die Kultivierung durchgeführt wird einer Temperatur von 28°C für 18 Tage, und der von der Folie und vom Boden des Fläschchens gesammelte Niederschlag, der Kristalle von Cadmiumsulfid enthält, wird getrocknet.

Traditionell wurde Cadmiumsulfid als Farbstoff verwendet. Es ist auf den Leinwänden so großer Künstler wie Van Gogh, Claude Monet, Matisse zu sehen. In den letzten Jahren ist das Interesse daran mit der Verwendung von Cadmiumsulfid als Filmbeschichtung für Solarzellen und in lichtempfindlichen Geräten verbunden. Diese Verbindung zeichnet sich durch einen guten ohmschen Kontakt zu vielen Materialien aus. Sein Widerstand hängt nicht von der Größe und Richtung des Stroms ab. Aus diesem Grund ist das Material vielversprechend für den Einsatz in der Optoelektronik, Lasertechnik und LEDs.

allgemeine Beschreibung

Cadmiumsulfid ist eine anorganische Verbindung, die in der Natur in Form der seltenen Mineralien Zinkblende und Howliit vorkommt. Sie sind für die Industrie uninteressant. Die Hauptquelle von Cadmiumsulfid ist die künstliche Synthese.

Im Aussehen ist diese Verbindung ein gelbes Pulver. Die Farbtöne können von Zitrone bis Orangerot variieren. Aufgrund seiner leuchtenden Farbe und hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen wurde Cadmiumsulfid als hochwertiger Farbstoff verwendet. Die Substanz ist seit dem 18. Jahrhundert weit verbreitet.

Die chemische Formel der Verbindung ist CdS. Es hat 2 Strukturformen von Kristallen: hexagonal (Wurtzit) und kubisch (Zinkblende). Unter dem Einfluss von hohem Druck entsteht auch eine dritte Form, wie die des Steinsalzes.

Cadmiumsulfid: Eigenschaften

Ein Material mit hexagonaler Gitterstruktur hat folgende physikalische und mechanische Eigenschaften:

• Schmelzpunkt - 1475 °C;
• Dichte - 4824 kg / m 3;
• linearer Ausdehnungskoeffizient - (4,1-6,5) μK -1;
• Härte auf der Mohs-Skala - 3,8;
• Sublimationstemperatur - 980 °C.

Diese Verbindung ist ein direkter Halbleiter. Bei Bestrahlung mit Licht erhöht sich seine Leitfähigkeit, was es ermöglicht, das Material als Fotowiderstand zu verwenden. Beim Legieren mit Kupfer und Aluminium wird der Effekt der Lumineszenz beobachtet. CdS-Kristalle können in Festkörperlasern verwendet werden.

Die Löslichkeit von Cadmiumsulfid in Wasser fehlt, in verdünnten Säuren ist es schwach, in konzentrierter Salz- und Schwefelsäure ist es gut. Es löst auch Cd gut auf.

Ein Stoff hat folgende chemische Eigenschaften:

• fällt aus, wenn es einer Lösung von Schwefelwasserstoff oder Alkalimetallen ausgesetzt wird;
• bei der Reaktion mit Salzsäure entstehen CdCl 2 und Schwefelwasserstoff;
• Beim Erhitzen in einer Atmosphäre mit Sauerstoffüberschuss oxidiert es zu Sulfat oder Oxid (dies hängt von der Temperatur im Ofen ab).

Kassenbon

Cadmiumsulfid wird auf verschiedene Weise synthetisiert:

• bei der Wechselwirkung von Cadmium- und Schwefeldämpfen;
• bei der Reaktion von schwefelorganischen und cadmiumhaltigen Verbindungen;
• Niederschlag aus Lösung unter dem Einfluss von H 2 S oder Na 2 S.

Filme auf Basis dieser Substanz werden mit speziellen Verfahren hergestellt:

• chemische Fällung unter Verwendung von Thiocarbamid als Quelle für Sulfidanionen;
• Pulverisierung gefolgt von Pyrolyse;
• die Methode der Molekularstrahlepitaxie, bei der Kristalle im Vakuum gezüchtet werden;
• als Ergebnis des Sol-Gel-Prozesses;
• Ionen-Sputter-Verfahren;
• Eloxieren und Elektrophorese;
• Siebdruckverfahren.

Zur Herstellung des Pigments wird das ausgefällte feste Cadmiumsulfid gewaschen, calciniert, um ein hexagonales Kristallgitter zu erhalten, und dann zu einem Pulver gemahlen.

Anwendung

Farbstoffe auf Basis dieser Verbindung haben eine hohe Wärme- und Lichtbeständigkeit. Zusätze von Selenid, Cadmiumtellurid und Quecksilbersulfid ermöglichen es, die Farbe des Pulvers in grün-gelb und rot-violett zu verändern. Pigmente werden bei der Herstellung von Polymerprodukten verwendet.

Es gibt weitere Anwendungen für Cadmiumsulfid:

• Detektoren (Aufzeichnungsgeräte) für Elementarteilchen, einschließlich Gammastrahlung;
• Dünnschichttransistoren;
• piezoelektrische Wandler, die im GHz-Bereich betrieben werden können;
• Herstellung von Nanodrähten und -röhrchen, die als Leuchtetiketten in Medizin und Biologie eingesetzt werden.

Sonnenkollektoren auf Cadmiumsulfid

Dünnschicht-Solarmodule sind eine der neuesten Erfindungen in der alternativen Energie. Die Entwicklung dieser Industrie wird immer dringlicher, da die Reserven an Mineralien, die zur Stromerzeugung verwendet werden, schnell erschöpft sind. Die Vorteile von Solarmodulen auf Basis von Cadmiumsulfid sind folgende:

• niedrigere Materialkosten bei ihrer Herstellung;
• eine Erhöhung des Wirkungsgrads bei der Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie (von 8 % für herkömmliche Batterietypen auf 15 % für CdS/CdTe);
• die Möglichkeit der Energieerzeugung ohne direkte Strahlen und die Verwendung von Batterien in nebligen Gebieten, an Orten mit hohem Staubgehalt der Luft.

Folien, die zur Herstellung von Solarzellen verwendet werden, haben eine Dicke von nur 15-30 Mikrometer. Sie haben eine körnige Struktur, deren Elementgröße 1-5 Mikrometer beträgt. Wissenschaftler glauben, dass Dünnschichtbatterien aufgrund unprätentiöser Betriebsbedingungen und langer Lebensdauer in Zukunft eine Alternative zu polykristallinen werden können.