CD는 색상을 침전시킵니다. 열역학 및 전기물리적 특성

소개

현재 전자 기술에서 다양한 용도로 사용되는 재료의 수는 수천 개에 달합니다. 가장 일반적인 분류에 따르면 도체, 반도체, 유전체 및 자성 재료의 네 가지 클래스로 나뉩니다. 가장 중요하고 상대적으로 새로운 재료 중에는 반도체 화합물이 있으며, 그 중 A II B VI 유형의 화합물이 가장 과학적이고 실용적인 관심 대상입니다. 이 그룹의 가장 중요한 재료 중 하나는 CdS입니다.

CdS는 감광성 스펙트럼이 모든 환경 물체가 방출하는 대기 투명도 창(8-14미크론)과 겹치기 때문에 현대 IR 기술의 기초입니다. 이를 통해 군사, 생태, 의학 및 기타 인간 활동 분야에서 사용할 수 있습니다. 현재까지 CdS는 수화학적 방법에 의해 필름 형태로 얻어진다.

본 과정 프로젝트의 목적은 CdS를 기반으로 한 감광소자 감광소자를 수화학적 방법으로 100,000개/년 용량으로 생산하는 프로젝트를 구현하고 조건을 사전에 결정하도록 설계된 계산 방법에 익숙해지는 것입니다. CdS, 카드뮴 하이드록사이드 및 시안아마이드 형성용.

1. 황화카드뮴의 특성

Cd - S 시스템의 다이어그램은 작성되지 않았으며 시스템에는 α(육각형) 및 β(입방형)의 두 가지 수정으로 존재하는 하나의 CdS 화합물이 있습니다. CdS는 광물인 greenockite와 howleyite로 자연적으로 발생합니다.

1.1 결정 구조

유형 A II B VI의 화합물은 일반적으로 sphalerite 또는 wurtzite의 구조로 결정화됩니다. sphalerite의 구조는 입방체, 유형 B-3, 공간 그룹 F4 3m(T d 2)입니다. wurtzite의 구조는 육각형, 유형 B-4, 공간 그룹 P 6 3 mc(C 6 v 4)입니다. 이 구조는 서로 매우 유사하며 첫 번째와 두 번째 배위 구에서 각각 4와 12의 동일한 수의 원자를 가지고 있습니다. 두 변형의 사면체에서 원자간 결합은 매우 가깝습니다.

카드뮴 황화물은 sphalerite 및 wurtzite 구조로 얻어졌습니다.

1.2 열역학 및 전기물리적 특성

황화 카드뮴은 항상 과량의 카드뮴을 함유하는 가변 조성의 일방적인 상입니다. 황화 카드뮴은 1350 ᵒС로 가열되면 녹지 않고 대기압에서 승화되고 180 ᵒС의 진공에서는 녹지 않고 분해되지 않고 증류되며 100 atm의 압력에서는 약 1750 ᵒС의 온도에서 녹습니다. 1000 ᵒС 이상의 온도에서 카드뮴의 해리 정도는 85-98%에 이릅니다. CdS Δ H 298 0 \u003d -34.71 kcal / mol의 형성 열.

생산 조건 및 열처리에 따라 CdS의 특성이 다를 수 있습니다. 따라서, 과량의 카드뮴 증기에서 성장한 결정은 화학량론적 조성의 조건에서 성장한 결정보다 훨씬 더 높은 열전도율을 갖는다. 다양한 요인에 따라 CdS의 비저항은 넓은 범위(10 12 ~ 10 -3 ohm * m)에 걸쳐 달라질 수 있습니다.

화학량론의 편차는 CdS의 전기물리학적 특성에 결정적인 영향을 미칩니다. 샘플에 산소를 도입하면 전기 전도도가 크게 감소합니다. 광학 데이터에서 결정된 CdS의 밴드 갭은 2.4V입니다. 황화 카드뮴은 일반적으로 화학량론적 조성에 비해 황이 부족하기 때문에 n형 전도도를 갖습니다.

물에 대한 카드뮴의 용해도는 무시할 수 있습니다: 1.5 * 10 -10 mol / l.

2. 금속 칼코겐화물을 얻는 방법

현재 금속 칼코게나이드는 물리적(진공 증발 및 음극 스퍼터링) 및 화학적 방법(400-600K로 가열된 기판에 반응 혼합물의 에어로졸 분무 또는 수용액에서 침전)에 의해 얻어집니다. 각 방법을 더 자세히 살펴 보겠습니다.

진공응축방식

이 방법의 핵심은 압력이 잔류 증기압을 몇 배나 초과하는 온도로 진공(P ≥ 10 -3 mm Hg)에서 물질을 가열한 다음 기판에 응결시키는 것입니다.

프로세스 단계:

물질의 증발;

기질에 대한 물질의 원자의 비행;

기판에 증기를 증착(응축)시킨 후 필름 구조를 형성합니다.

음극 진공 스퍼터링 방법.

이 방법은 작동 가스 분자로 음극에 충격을 가하여 음극을 파괴하는 방법을 기반으로 합니다. 음극은 필름 형태로 증착되는 물질입니다. 먼저 작업 영역에서 공기가 펌핑된 다음 작업 가스(아르곤 또는 질소)가 챔버로 유입됩니다. 캐소드와 애노드 사이에 전압(3-5kV)이 인가되어 가스 갭이 파괴됩니다. 설비의 작동은 플라즈마 방전 근처에 있습니다.

음극 스퍼터링의 유형:

물리적: 시스템에서 화학 반응이 발생하지 않습니다.

반응성: 화학 반응을 포함하며, 반응성 가스(산소, 질소, 일산화탄소)가 작업 가스에 추가되고, 그 분자의 분무된 물질이 화합물을 형성합니다. 작동 가스의 분압을 변경하여 필름의 조성을 변경할 수 있습니다.

박막 구조의 진공 생산은 가능성과 다양성이 넓다는 점에 유의해야 합니다. 그것은 여러 가지 중요한 단점이 있습니다. 복잡하고 고가의 장비가 필요하고 속성의 균일 성을 보장하지도 않습니다.

단순성과 효율성 측면에서 황화물 필름을 얻는 방법 중 가장 매력적인 것은 수화학적 증착 기술입니다. 현재 이 방법에는 세 가지 주요 유형이 있습니다. 용액에서 화학 증착, 전기화학 증착 및 가열된 기판에 용액을 분사한 후 열분해합니다.

전기화학적 증착 동안 티오우레아 수용액에서 금속의 양극 용해가 수행됩니다. 황화물 형성 과정은 두 단계로 진행됩니다.

양극에서 금속 이온의 형성;

칼코겐화제와 금속 이온의 상호 작용.

이 방법의 장점에도 불구하고 제어 가능성과 현재 강도에 대한 막 성장 속도의 명확한 의존성에도 불구하고 이 방법은 경제적이지 않으며 얇고 고르지 않은 비결정질의 막이 형성되어 실제로 이 방법의 광범위한 적용을 방해합니다.

가열된 기판에 용액을 분사하는 방법(열분해)

금속염과 티오요소를 포함하는 용액을 180..250 ᵒС로 가열된 기판에 분무합니다. 열분해 방법의 주요 이점은 혼합 조성의 필름을 얻을 수 있다는 것입니다. 하드웨어 설계에는 용액용 스프레이 장치와 기판용 히터가 포함됩니다. 금속 황화물이 포함된 필름을 얻으려면 화학량론적 금속-황 비율이 최적입니다.

수용액으로부터의 화학적 침전은 최종 결과의 관점에서 특히 매력적이며 광범위한 전망을 가지고 있습니다. 수화학적 증착법은 높은 생산성과 경제성, 기술적 설계의 단순성, 복잡한 모양과 다른 성질의 표면에 막을 증착할 수 있는 가능성, 그리고 고온을 허용하지 않는 유기 이온이나 분자로 층을 도핑하는 것이 특징입니다. 가열 및 "연질 화학"합성의 가능성. 후자는 복합 구조의 본질적으로 준안정한 금속 칼코게나이드 화합물의 제조에 가장 유망한 방법으로 이 방법을 고려할 수 있습니다.

수소화학적 침전은 금속염, 알칼리성 및 착화제, 칼코겐화제를 포함하는 반응조에서 수행됩니다. 황화물 형성 과정은 콜로이드-화학적 단계를 통해 실현되며 그 메커니즘이 완전히 이해되지 않은 일련의 국소화학적 및 자가촉매 반응을 나타냅니다.

3. 필름 기반의 응용CDS

박막 카드뮴 황화물은 광검출기, 광발광 재료, 열전소자, 태양 전지, 센서 재료, 장식 코팅 및 유망한 나노구조 촉매로 널리 사용됩니다.

4. 생산기술에 대한 설명CDS

포토 레지스터의 민감한 요소를 제조하기 위한 기술 계획에는 다음 작업이 포함됩니다.

1. 기판 준비(세정, 에칭, 세척);

반도체막의 화학적 증착;

필름 세척 및 건조;

400 °C에서 2시간 동안 전하층 아래의 반도체층 열처리;

AI 접점의 진공 증착;

스크라이빙;

FR 칩 매개변수의 출력 제어.

.1 필름 증착을 위한 기판 준비

필름 증착은 이전에 탈지된 기판에서 수행됩니다. 소다로 기판을 완전히 탈지하고 수돗물로 헹구고 불소수지 고정 장치에 설치한 후 묽은 Dash 용액에 20초 동안 놓아 필름 접착력을 높이기 위해 표면을 에칭합니다. Dash 식각액으로 처리한 후 기판을 다량의 가열된 증류수로 헹구고 공정이 시작될 때까지 증류수 층 아래 비커에 보관합니다.

기질 표면 준비의 품질은 젖음성의 정도에 따라 제어됩니다. 주의 깊게 준비된 기질에서 증류수는 균일한 층으로 퍼집니다. 손으로 지방이없는 기질을 가져 오는 것은 엄격히 금지되어 있습니다.

4.2 반도체 필름의 화학 증착

Sitall은 CdS 필름의 증착을 위한 기판 재료로 사용됩니다.

다음 화학 시약은 CdS 반도체 필름의 합성에 사용됩니다.

카드뮴 클로라이드, CdCl 2 ∙H 2 O;

티오우레아, CSN 2 H 4, 고순도;

암모니아 수용액, NH 3 aq, 25%, 화학적으로 순수함.

작업 용액 준비를 위한 시약 배출 순서는 엄격하게 고정되어 있습니다. 이것에 대한 필요성은 칼코겐화물의 침전 과정이 이질적이며 그 속도는 새로운 상 형성을 위한 초기 조건에 달려 있기 때문입니다.

작업 용액은 계산된 양의 출발 물질을 혼합하여 준비합니다. 필름은 100ml 몰리브덴 유리 반응기에서 합성됩니다. 먼저, 계산된 부피의 카드뮴 염을 반응기에 도입한 다음 암모니아수를 도입하고 증류수를 첨가합니다. 그런 다음 티오 요소가 추가됩니다. 용액을 교반하고 준비된 기판을 즉시 용액에 담그고 불소수지 고정 장치에 고정합니다. 기판은 작업 표면이 15 - 20°의 각도로 아래쪽을 향하도록 반응기에 설치됩니다. 이 순간부터 스톱워치의 도움으로 합성 프로세스 시간의 카운트다운이 시작됩니다. 원자로는 단단히 닫혀 있고 U-10 온도 조절 장치에 있습니다. 합성 온도 유지 정확도는 ±0.01°C입니다. 얼마 동안 솔루션에 변경 사항이 발생하지 않습니다. 그런 다음 용액이 흐려지기 시작하고 기판 표면과 반응기 벽에 노란색 미러 필름이 형성됩니다. 안정화 시간은 60분입니다. 침전은 70 °C의 온도에서 수행됩니다.

4.3 증착 필름의 처리

지정된 합성 시간이 끝나면 온도 조절 장치에서 반응기를 제거하고 홀더가 있는 기판을 제거하고 다량(0.5-1.0 l)의 가열된 증류수로 세척합니다. 그 후, 기판을 홀더에서 제거하고 기판의 작업 표면(필름이 증착된 표면)을 증류수에 적신 면봉으로 부드럽게 닦고 뒷면에서 침전물을 제거합니다. 그런 다음 필름이 있는 기판을 증류수로 다시 세척하고 눈에 보이는 수분 흔적이 제거될 때까지 여과지에서 건조합니다.

4.4 열처리

철저히 세척 및 건조 - 기판은 다음 작업인 열처리로 이동합니다. 그것은 스트레스를 제거하고 필름의 전기적 특성을 개선하기 위해 머플로 PM-1.0-7 또는 PM-1.0-20에서 수행됩니다. 이 공정은 400°C의 온도에서 2시간 동안 지속되며 이후 실온으로 냉각됩니다.

4.5 AI 접점의 진공 증착

금속 필름은 비정류(옴) 접점과 수동 부품(도전 트랙, 저항기, 커패시터, 인덕터)과 같은 반도체 장치 및 미세 회로의 생산에 사용됩니다. 금속막을 얻는 주된 방법은 다양한 금속(알루미늄, 금 등)을 진공증착(진공에서 열증착)하는 것으로, 증착공정의 순도와 재현성, 높은 생산성, 하나의 증착 가능성 등 여러 가지 장점이 있다. 한 번의 작업으로 반도체 웨이퍼 상의 금속 이상 및 증착된 금속막과 진공을 융합하여 산화로부터 보호하고, 증착 공정 제어 용이성, 마스크를 사용한 금속 증착 시 다양한 두께 및 구성의 금속막 획득 가능성.

스프레이는 캡 아래의 잔류 압력이 6.5∙10 Pa(5∙10 -6 mm Hg)인 진공 설치에서도 수행됩니다. 이러한 압력은 증발된 금속 원자와 설비 후드 아래의 잔류 가스 분자 사이에 충돌이 없도록 선택되어 교란된 구조의 필름이 형성됩니다.

반도체 웨이퍼 및 기타 기판에 다양한 필름을 증착하기 위한 반도체 장치 생산에서 다양한 설계 솔루션, 주로 캡 장치 및 진공 시스템에서 서로 다른 여러 모델의 진공 증착 설비가 사용됩니다. 공정 매개변수를 모니터링하고 작동 모드를 제어하기 위한 전원 공급 시스템, 증발 또는 분무를 위한 운반 및 보조 장치.

이러한 설비의 열막 증착 및 스퍼터링에는 각각 저항성 및 전자빔 장치가 사용되며 이온 충격에 의한 스퍼터링에는 방전 장치가 사용됩니다. 몇 가지 단점(내화물 증발의 어려움, 높은 관성, 합금 증발 중 구성 요소 비율의 변화)에도 불구하고 전자빔, 특히 저항성 증발기를 사용한 설치는 작동 용이성으로 인해 반도체 생산에 널리 사용됩니다. 따라서 기본 모델이 UVN-2M 장치인 저항성 증발기가 있는 장치에 중점을 둘 것입니다.

4.6 스크라이빙

필름이 증착된 기판에서 스크라이빙으로 주어진 크기의 칩을 잘라냅니다(표준 시간은 기판 1개당 25분). ZhK 10.11 스크라이빙용 반자동 기계는 반도체 웨이퍼에 노치 그리드를 적용하도록 설계되었습니다. 그들은 고무 롤러로 수동으로 또는 특수 설치로 굴려서 위험이 적용된 판을 부수었습니다. 반자동 장치는 테이블에 고정 된 우주복에 설치되어 미기후를 만드는 역할을합니다. 그들은 슈트의 전면 벽에 내장된 고무 장갑을 끼고 반자동 장치로 작업합니다. 작업장은 슈트의 상부에 설치된 일광 램프로 비춰집니다. 드로잉 마크는 스윙 지지대에 고정된 다이아몬드 커터에 의해 만들어집니다.

카드뮴 황화물 전기물리학적 진공

4.7 "칩" 매개변수의 출력 제어

처음에 칩은 코팅 품질에 대한 시각적 제어를 받습니다. 층 이질성, 반점, 불규칙성, 접착력이 불량한 영역이 표시됩니다.

출력 제어는 K.50.410 장치에서 수행됩니다(표준 시간은 "칩"당 2분입니다).

5. 결제부분

.1 지층 경계 조건의 계산CDS, CD(오) 2 및CDCN 2

다음 초기 농도(mol/l)에서 황화납, 수산화물 및 시안아미드의 침전을 위한 경계 조건을 찾는 것이 필요합니다.

0,4

수화학적 합성의 기초는 다음과 같은 반응입니다.

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

반응 혼합물에서 다음과 같은 복합 화합물의 형성이 가능합니다(표 1).

표 1 CdS, Cd(OH) 2 , CdCN 2 의 수소화학적 침전 조건 계산을 위한 초기 데이터

화합물(착이온)

α Me z + 를 계산해 봅시다. 이를 위해 다음 식을 사용합니다.

어디서? α Me z + - 착되지 않은 금속 이온의 분수 농도; L은 리간드 농도이고; k 1 , k 1.2 ,…k 1.2… n - 다양한 복잡한 형태의 금속의 불안정성 상수.

암모니아 시스템의 경우 표현식은 다음과 같은 형식을 갖습니다.
8,099∙10 -9

그래픽 종속성 pC n =f(pH)를 작성해 보겠습니다(그림 2).

쌀. 2. 카드뮴 황화물, 수산화물 및 시안아미드 형성을 위한 경계 조건.

그래프를 기반으로 우리는 이 시스템에서 pH = 9.5-14에서 CdS 막을 형성하는 것이 가능하고 pH = 10.5-14에서 Cd(OH) 2 를 형성하는 것이 가능하며 CdCN 2가 전혀 형성되지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다.

소개

카드뮴 황화물의 특성화

Cd - S 시스템의 다이어그램은 작성되지 않았으며 시스템에는 b(육각형) 및 c(입방)의 두 가지 수정으로 존재하는 하나의 CdS 화합물이 있습니다. CdS는 광물인 greenockite와 howleyite로 자연적으로 발생합니다.

결정 구조

유형 A II B VI의 화합물은 일반적으로 sphalerite 또는 wurtzite의 구조로 결정화됩니다. sphalerite의 구조는 입방체, 유형 B-3, 공간 그룹 F4 3m(T d 2)입니다. wurtzite의 구조는 육각형, 유형 B-4, 공간 그룹 P 6 3 mc (C 6v 4)입니다. 이 구조는 서로 매우 유사하며 첫 번째와 두 번째 배위 구에서 각각 4와 12의 동일한 수의 원자를 가지고 있습니다. 두 변형의 사면체에서 원자간 결합은 매우 가깝습니다.

카드뮴 황화물은 sphalerite 및 wurtzite 구조로 얻어졌습니다.

열역학 및 전기물리적 특성

황화 카드뮴은 항상 과량의 카드뮴을 함유하는 가변 조성의 일방적인 상입니다. 황화 카드뮴은 1350 ° C로 가열하면 녹지 않고 대기압에서 승화되고 180 ° C의 진공에서는 녹지 않고 분해되지 않고 증류되며 100 atm의 압력에서는 약 1750 ° C의 온도에서 녹습니다. 1000 °C 이상의 온도에서 카드뮴의 해리도는 85-98%에 이릅니다. CdS D H 298 0 \u003d -34.71 kcal / mol의 형성 열.

물에 대한 카드뮴의 용해도는 무시할 수 있습니다: 1.5 * 10 -10 mol / l.

카드뮴(II) 산화물

공기 중에서 가열되면 카드뮴이 발화하여 산화카드뮴 CdO(분자량 128.41)를 형성합니다. 산화물은 또한 카드뮴의 질산염 또는 탄산염을 소성하여 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 산화물은 무정형과 결정질의 두 가지 변형이 있는 갈색 분말 형태로 얻어집니다. 가열되면 비정질 산화물이 결정화되어 입방계에서 결정화됩니다. 이는 이산화탄소를 흡착하고 강염기처럼 행동합니다. CdO AMORPH CdO CRIST의 변형열은 540cal입니다.

인공적으로 제조된 산화물의 밀도는 7.28~8.27g/cm 3 입니다. 자연에서 CdO는 6.15g/cm3의 밀도로 galmy에 검은색 코팅을 형성합니다. 융점 1385°.

산화 카드뮴은 수소, 탄소 및 일산화탄소에 의해 환원됩니다. 수소는 가역 반응에 따라 250-260°에서 CdO를 환원하기 시작합니다.

CdO + H 2 Cd + H 2 O,

300°에서 빠르게 종료됩니다.

산화 카드뮴은 가역 반응에 따라 산 및 황산 아연 용액에 잘 용해됩니다.

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

카드뮴 황화물

황화물(CdS, 분자량 144.7)은 카드뮴의 중요한 화합물 중 하나입니다. 염산 및 질산의 농축 용액, 끓는 묽은 황산 및 제2철 용액에 용해됩니다. 추위에는 산에 잘 녹지 않으며 묽은 황산에는 녹지 않습니다. 황화물의 용해도 곱 1.4·10 -28 . 결정질 황화물은 자연에서 중금속 및 비철금속 광석의 혼합물로서 석탄석 형태로 발생합니다. 유황과 카드뮴 또는 카드뮴 산화물을 융합하여 인위적으로 얻을 수 있습니다. 금속 카드뮴이 황과 융합되면 황화물 형성 반응의 발달이 CdS 보호막에 의해 억제됩니다. 반응

2CdO+3S=2CdS+SO2

283°에서 시작하여 424°로 고속으로 통과합니다.

CdS의 세 가지 변형이 알려져 있습니다: 무정형(노란색) 및 두 가지 결정성(빨간색 및 노란색) 결정질 황화물의 빨간색 변종은 더 무겁습니다(sp. weight 4.5) 노란색(sp. weight 3). 무정형 CdS는 450°C로 가열되면 결정질이 됩니다.

황화카드뮴은 산화성 분위기에서 가열되면 소성 온도에 따라 황산염 또는 산화물로 산화됩니다.

황산 카드뮴

황산 카드뮴(CdSO 4 , 분자량 208.47)은 사방정계에서 결정화되는 백색 결정성 분말입니다. 물에는 잘 녹지만 알코올에는 녹지 않습니다. 황산염은 물 분자가 8/3인 단사정계(CdSO 4 8 / 3H 2 O)의 수용액에서 결정화되며 74°까지 안정하지만 더 높은 온도에서는 단일 물 황산염(CdSO 4 H 2 O) 온도가 증가함에 따라 황산염의 용해도가 약간 증가하지만 온도가 추가로 증가하면 표 3과 같이 감소합니다.

표 3

b, c, d의 세 가지 설페이트 변형의 존재가 확인되었습니다. 3CdSO 4 ·8H 2 O 결정질 수화물로부터 200°에서 마지막 물 분자를 분리한 후, b-변형이 형성되어 안정적입니다. 500°까지; 온도가 추가로 증가하면 735 ° 이상의 온도에서 z 수정으로 넘어가는 s 수정이 발생합니다. 고온 변형(c 및 d)은 냉각 시 b-변형으로 변환됩니다.

본 발명은 무기 화학에 사용될 수 있다. 결정질 황화카드뮴을 얻는 방법은 황산염 환원 박테리아를 금속을 함유한 합성 배지에 넣고 비타민, 염, 보조인자의 용액을 포함한 영양소를 첨가하는 것을 포함합니다. 배양시 황산염 환원균 Desulfovibrio sp. A2 및 카드뮴 이온 공급원을 포함하는 합성 매질 - 카드뮴 염화물 용액. 합성 배지의 카드뮴 이온 농도는 150mg/l입니다. 배양 용기에 알루미늄 호일을 넣고 28℃에서 18일간 배양하였다. 호일과 바이알 바닥에서 수집한 황화카드뮴 결정을 포함하는 침전물을 건조합니다. 효과: 발명으로 폐수에서 황화카드뮴을 얻을 수 있고 야금 기업에서 액체 폐기물을 얻을 수 있습니다. 2 병, 3 테이블, 1 pr.

RF 특허 2526456에 대한 도면

본 발명은 황산염 환원 세균(SRP)을 사용하여 금속 함유 용액으로부터 순수한 황화카드뮴(CdS)을 얻는 방법에 관한 것이다.

제안된 방법은 카드뮴을 포함한 금속 이온을 포함하는 폐수 및 광업 및 가공 야금 기업의 액체 폐기물에서 순수한 황화 카드뮴을 얻는 데 사용할 수 있습니다. 제안된 방법을 사용하면 황화물 형태의 카드뮴을 선택적으로 침전시킬 수 있다. 이 기능을 통해 야금 기업의 액체 폐기물과 폐수를 황화 카드뮴 생산을 위한 2차 원료 공급원으로 사용할 수 있습니다. 황화카드뮴은 반도체 레이저에 사용되며 광전지, 태양전지, 광다이오드, 발광 다이오드, 형광체, 아트 페인트용 안료, 유리 및 세라믹 제조용 재료입니다. 카드뮴 설파이드 안료는 엔지니어링 플라스틱과 같은 많은 폴리머에서 우수한 온도 안정성으로 가치가 있습니다. CdS 결정에서 일부 황 원자를 셀레늄으로 대체함으로써 녹색-노란색에서 적자색까지 다양한 염료 색상을 얻을 수 있습니다. 카드뮴 황화물은 와이드 갭 반도체입니다. CdS의 이러한 특성은 광전자공학, 광검출기 및 태양 전지 모두에 사용됩니다. 황화카드뮴의 단결정으로부터 소립자와 감마선을 검출하기 위한 신틸레이터가 만들어집니다.

자연계에서 황화카드뮴은 광물성 그린노카이트(greenockite)와 하울레이라이트(howleyite)로 존재하며, 이는 섬아연석(ZnS)과 스미소나이트(smithsonite)에 황색 퇴적물로 발생합니다. 이러한 광물은 자연계에 널리 분포되어 있지 않기 때문에 공업용 및 과학기술적 작업을 위한 합성에 의해 황화카드뮴을 얻는다.

황화카드뮴은 황을 카드뮴으로 가열하거나 가열될 때 황화수소를 카드뮴, 산화카드뮴 또는 염화물 위로 통과시켜 화학적 방법으로 얻습니다. 카드뮴 및 납의 분말 황화물을 제조하는 공지된 방법(RF 특허, No. 2203855, C01G 11/02, C01G 21/21, 2003). 본 발명은 용융염에서 분말 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 합성은 용융 매체에서 수행됩니다. 용융 매질은 결정질 티오 요소에 의해 형성되며 금속 함유 성분으로 무수 카드뮴 또는 납 아세테이트를 포함합니다. 표시된 염 중 하나의 분말과 티오우레아를 2-4배 몰 과량으로 혼합하고 추가로 160-180°C에서 20-30분 동안 유지하여 합성을 수행합니다. 제안된 방법으로 얻은 제품의 실제 수율은 95% 이상입니다. 또한, 여기에는 원소 황(3-4 wt.%)의 혼합물이 포함되어 있으며, 이는 제품의 추가 사용에 따라 유기 용매(톨루엔, 사염화탄소 등)로 세척하여 제거할 수 있습니다. 이 방법의 단점은 생산의 에너지 소비, 특수하고 값 비싼 장비를 사용해야한다는 것입니다. 또한 화학 물질 생산은 환경에 부정적인 영향을 미칩니다.

박테리아 Klebsiella pneumonia 및 Clostridium thermoaceticum에 의한 세포 표면의 카드뮴 황화물 결정체 형성은 알려져 있습니다(Aiking H. et al. Detoxification of mercury, cadmium, and lead in Klebsiella aerogenes NCTC 418 growth in continuous culture // Appi Environ Microbiol. 1985 Nov;50(5 - P.1262-1267; PR Smith et al. PHOTOPHYSICAL AND PHOTOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF BACTERIAL SEMICONDUCTOR CADMIUM-SULFIDE PARTICLES // Journal of the Chemical Society. Faraday transaction. - 1998), - 94(pp. .1235-1241).

K. pneumoniae 박테리아의 표면에서 합성된 CdS 결정자는 UV 빛을 효과적으로 흡수하여 박테리아를 유해한 영향으로부터 보호합니다. 심해 형광성 박테리아 Pseudomonas aeruginosa는 세포벽에 CdS 결정체를 형성하여 배지에서 카드뮴을 제거합니다(Wang CL et al. Cadmium removal by a new strain of Pseudomonas aeruginosa in aerobic culture // Appl. Environ. Microbiol. - 1997, 63 - pp.4075-4078). 황화카드뮴 미결정의 크기는 세포 외부의 수십 마이크론에서 세포 내부 또는 표면의 수십 옹스트롬까지 다양합니다. 카드뮴 황화물 결정체는 유기체가 불리한 환경 조건을 견딜 수 있는 특정 조건에서만 형성됩니다.

청구된 발명에 본질적으로 가장 가깝고 달성된 결과는 황산염 환원 박테리아가 있는 생물반응기를 사용하여 저농도의 카드뮴 이온을 제거하는 방법입니다(Hiroshi H. et al. Removal of Low Concentrated Cadmium Ions Using Fixed-bed Sulfate-Reducing FS 캐리어가 있는 생물 반응기 // 일본 광업 및 재료 처리 연구소 저널, 2003, V.119, No. 9, pp.559-563). 물에서 중금속 이온의 회수는 바이오캐리어로 사용된 섬유질 슬래그에 고정된 황산염 환원 박테리아를 사용하는 바이오리액터에서 발생했습니다. 이 과정에서 액체의 황산염 이온은 생물학적으로 황화수소(H 2 S)로 전환되어 금속 이온과 반응하여 초미세 금속 황화물 입자를 형성합니다. 그런 다음 생성 된 입자는 반응기 상부의 캐리어 표면에 수집되어 중금속 이온과 그 황화물이 축적됩니다. 6mg/l 카드뮴으로 오염된 물을 지속적으로 처리하면 약 30일 동안 거의 완전한 제거가 수행되었습니다.

이 방법의 단점은 환경에서 낮은 농도의 카드뮴 이온에서만 사용이 가능하고 결정질 카드뮴 황화물을 형성하지 않는다는 것입니다.

본 발명의 목적은 다른 금속 황화물의 불순물을 함유하지 않는 고함량의 카드뮴 이온(최대 150 mg/l)을 갖는 용액으로부터 고내성 황산염 환원 박테리아를 사용하여 결정질 황화카드뮴을 얻는 방법을 개발하는 것이다. 카드뮴 이온 농도.

문제는 카드뮴 이온에 대한 저항성이 높은 SRP를 금속이 포함된 폐수를 시뮬레이션하는 합성 배지에 넣고 비타민, 염, 보조인자, 젖산염, 황화나트륨 용액을 포함한 영양소를 첨가하고 온도 조절기 및 건조하지만, 프로토타입과 달리 카드뮴 이온에 내성이 있는 SRB를 사용하고, 배지에 알루미늄 호일을 첨가하고, 28°C의 온도에서 18일 동안 배양한다.

배양은 박테리아의 성장을 자극하는 영양소를 도입하여 합성 배지 (표 1 - 합성 배지의 조성)에서 수행됩니다. 영양소와 2가 카드뮴은 세균 배양 접종 전에 합성 배지에 첨가됩니다. 영양소의 조성과 도입순서는 Table 2와 같다. 비타민을 제외한 모든 영양소는 1기압에서 30분간 고압멸균한다. 비타민은 박테리아 필터(0.20μm)로 여과하여 살균됩니다.

파종은 포일이 포함 된 멸균 용기에서 수행되며 접종량 (CRP 배양)은 용기 부피의 10 %입니다. 접종물이 있는 탱크는 상단에 합성 배지(모든 영양소가 추가됨)로 채워집니다. 배지의 pH는 NaHCO 3 용액으로 7.0-7.8로 조정됩니다. 바이알은 알루미늄 캡으로 닫고 밀봉하고 28°C의 온도 조절 장치에 둡니다. 카드뮴 황화물 결정의 형성은 호일과 부분적으로 바이알 바닥에서 발생합니다. 배양 후, 침전물은 호일에서 수집되고 바이알 바닥에서 원심분리되고 공기 중에서 건조됩니다. 실험실에서 본 발명의 예가 아래에 나와 있습니다.

SRB Desulfovibrio sp. A2는 150 mgCd/l 농도의 2가 카드뮴과 알루미늄 호일을 포함하는 합성 배지에서 배양되었습니다. 카드뮴 설파이드 결정은 호일과 부분적으로 120ml 바이알 바닥에서 얻었다. 알루미늄 호일 바이알을 160℃에서 2.2시간 동안 멸균기에서 건열로 멸균하였다.

파종은 미리 자외선으로 30분 동안 소독한 멸균 층류 캐비닛에서 수행되었습니다. 접종 전 합성배지(표 1)를 끓인 후 흐르는 찬물에 급속 냉각하여 용존산소를 제거하였다. 상온으로 냉각된 배지에 영양소(표 2)(1리터당)를 다음 순서로 첨가했습니다: 비타민(2ml), 염 용액(10ml), 보조인자 용액(1ml), 유기 기질 - 젖산염(1 .6 ml), NaHCO 3 용액(pH는 7.0-7.8로 조정됨), 황화나트륨 용액(2 ml). 카드뮴 원액(물 100ml당 CdCl 2 x 2.5H 2 O 2g)을 합성 배지 1리터당 16.72ml의 양으로 첨가했습니다(따라서 배지 내 카드뮴 농도는 150mg/l에 도달했습니다. ).

첨가제가 포함된 합성 배지 약 50ml와 접종물(박테리아 배양액) 10ml를 호일 바이알에 첨가한 후 배지를 채웠습니다. 고무 마개를 멸균 바늘로 바이알 가장자리에 문질러 공기 산소 침투 가능성을 줄였습니다. 씨뿌리기가 끝나면 플라스크를 알루미늄 캡으로 닫고, 이음매로 플라스크를 밀봉하고, 온도 조절기를 28°C에 두었다. 황화카드뮴의 결정화는 배양 10일 후에 시작되며, 18일 동안 배양하는 동안 황화카드뮴은 완전히 결정화됩니다. 형성된 침전물을 포일에서 수집하고 바이알 바닥에서 원심분리하고 공기 중에서 건조시켰다. 형성된 침전물의 질량은 0.38g이다.

주사 전자 현미경(EDAX ECON IV 분석기가 있는 Philips SEM515)을 사용하여 침전을 연구했습니다. 결정상은 Shimadzu XRD 6000 회절계에서 X선 상 분석에 의해 결정되었습니다.

주사 전자 현미경으로 측정한 결정의 크기는 50-300 μm였습니다. 그림 1 - Desulfovibrio sp.를 배양하는 동안 얻은 침전물의 현미경 사진(SEM). A2는 18일 동안 Cd 이온(150mg/l) 및 해당 EMF의 존재하에 있습니다. Desulfovibrio sp. 균주의 재배 중에 얻은 침전물. A2에는 카드뮴, 황, 철, 산소, 탄소 및 나트륨이 포함되어 있으며 탄소와 산소는 샘플이 놓여 있는 탄소 기질에서 나옵니다. 원소의 비율은 표 3에 나와 있습니다 - Desulfovibrio sp.의 재배 중에 얻은 퇴적물의 원소 조성. A2는 18일 동안 Cd 이온(150mg/l) 존재(원소 C와 O는 샘플이 놓인 기질에서 유래함).

X선 상 분석을 사용하여 침전을 연구할 때 결정질 황화 카드뮴의 형성이 18일 동안 나타났습니다(그림 2 - 초기 농도의 Cd(150 mg/l)가 있는 상태에서 Desulfovibrio sp. A2를 재배하여 얻은 침전의 회절 패턴 ) 18일 동안 회절 패턴의 기호: CdS - 황화카드뮴).

접종물을 첨가하지 않고 배양하여 얻은 대조 침전물에서는 결정상이 관찰되지 않았으며 주요 원소는 카드뮴과 산소였다. 제안된 방법에는 황화카드뮴 생산을 위한 합성 매체로 야금 기업의 채광 및 가공에서 나오는 하수 및 액체 폐기물을 사용할 수 있는 가능성이 포함됩니다.

1 번 테이블
시약	농도, mg/l
Na2SO4	4000

MgCl 2 6H 2 O	400

염화나트륨(25%)	0,0125*
FeSO 4 * 7H 2 O	2,1
N 3 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
CuCl2*2H2O	0,002
ZnSO4*7H2O	0,144
Na 2 MoO 4 * 2H 2 O	0,036
CuSO 4 * 7H 2 O	750
H2O	1리터
* - ml/l

표 2
용액(합성배지 1리터당 투입량)
	시약	집중

	4-아미노벤조산	4mg/l
	비오틴(비타민 H)	1mg/l
	니코틴산(비타민 B 5)	10mg/l
1. 비타민 (2 ml/l)	판토텐산칼슘(비타민 B3)	5mg/l
	피리독신 2염산염(비타민 B 6)	15mg/l
	시아노코발라민(비타민 B 12)	5mg/l
	티아민(비타민 B 1)	10mg/l
	리보플라빈(비타민 B 2)	0.5mg/l
	엽산	0.2mg/l
	KH2PO4	20g/l
	NH4Cl	25g/l
2. 소금 용액 (10 ml/l)	염화나트륨	100g/l
2. 소금 용액 (10 ml/l)	KCl	50g/l
	CaCl2	11.3g/l
	H2O	1리터
3. 보조 인자의 솔루션 (1 ml/l)	NaOH	4g/l
	Na 2 SeO 3 × 5H 2 O	6mg/l
	Na 2 WO 4 × 2H 2 O	8mg/l
4. 젖산 용액(1.6ml/l)
	젖산	40%

5. Na2S 용액(2ml/l)
	Na 2 S × 9H 2 O	4.8g

표 3
요소	중량분율(중량%)	원자분율(%)
에서	7,56	15,1
영형	2,75	4,1
나	0,41	0,4
에스	23,3	44,5
CD	64,7	35,4
철	1,28	0,5

주장하다

황산염 환원세균인 Desulfovibrio sp. A2, 카드뮴 이온 공급원을 포함하는 합성 배지 - 카드뮴 염화물 용액을 사용하고 합성 배지 내 카드뮴 이온 농도는 150 mg/l이며 알루미늄 호일을 배양 용기에 넣은 상태에서 배양 28°C에서 18일 동안 온도를 유지하고 황화카드뮴 결정을 포함하는 호일과 바이알 바닥에서 수집한 침전물을 건조합니다.

전통적으로 카드뮴 황화물은 염료로 사용되었습니다. 그것은 반 고흐, 클로드 모네, 마티스와 같은 위대한 예술가들의 캔버스에서 볼 수 있습니다. 최근 몇 년 동안, 이에 대한 관심은 황화카드뮴을 태양 전지 및 감광성 장치의 필름 코팅으로 사용하는 것과 관련이 있습니다. 이 화합물은 많은 재료와 우수한 저항성 접촉을 특징으로 합니다. 저항은 전류의 크기와 방향에 의존하지 않습니다. 이 때문에 이 재료는 광전자공학, 레이저 기술 및 LED에 사용하기에 유망합니다.

일반적인 설명

황화카드뮴은 희소 광물인 징크블렌드 및 하울라이트로 자연적으로 발생하는 무기 화합물입니다. 그들은 업계에 관심이 없습니다. 황화카드뮴의 주요 공급원은 인공 합성입니다.

외관상 이 화합물은 황색 분말입니다. 색조는 레몬에서 오렌지 레드까지 다양합니다. 밝은 색상과 외부 영향에 대한 높은 내성으로 인해 황화 카드뮴은 고품질 염료로 사용되었습니다. 이 물질은 18세기부터 널리 사용되었습니다.

화합물의 화학식은 CdS입니다. 그것은 6각형(wurtzite) 및 입방체(아연 블렌드)의 2가지 구조적 형태의 결정을 가지고 있습니다. 고압의 영향으로 암염과 같은 세 번째 형태도 형성됩니다.

카드뮴 황화물: 속성

육각형 격자 구조를 가진 재료는 다음과 같은 물리적 및 기계적 특성을 갖습니다.

녹는점 - 1475 °C;
밀도 - 4824kg / m3;
선형 팽창 계수 - (4.1-6.5) μK -1;
모스 척도의 경도 - 3.8;
승화 온도 - 980 °C.

이 화합물은 직접 반도체입니다. 빛을 조사하면 전도성이 증가하여 재료를 포토 레지스터로 사용할 수 있습니다. 구리 및 알루미늄과 합금하면 발광 효과가 관찰됩니다. CdS 결정은 고체 레이저에 사용할 수 있습니다.

물에 대한 황화 카드뮴의 용해도는 없으며 묽은 산에서는 약하고 진한 염산과 황산에서는 좋습니다. 또한 Cd를 잘 녹입니다.

물질에는 다음과 같은 화학적 특성이 있습니다.

황화수소 또는 알칼리 금속 용액에 노출될 때 침전물;
염산과 반응하면 CdCl 2 및 황화수소가 형성됩니다.
과량의 산소가 있는 대기에서 가열되면 황산염 또는 산화물로 산화됩니다(이는 가마의 온도에 따라 다름).

영수증

카드뮴 황화물은 여러 가지 방법으로 합성됩니다.

카드뮴과 유황 증기의 상호 작용 중;
유기황과 카드뮴 함유 화합물의 반응에서;
H 2 S 또는 Na 2 S의 영향으로 용액에서 침전.

이 물질을 기반으로 한 필름은 특별한 방법을 사용하여 만들어집니다.

황화물 음이온의 공급원으로 티오카바마이드를 사용한 화학적 침전;
분쇄 후 열분해;
진공하에서 결정을 성장시키는 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 방법;
졸-겔 공정의 결과로;
이온 스퍼터링법;
양극산화 및 전기영동;
스크린 인쇄 방식.

안료를 만들기 위해 침전된 고체 황화카드뮴을 세척하고 소성하여 육각형 결정 격자를 얻은 다음 분쇄하여 분말로 만듭니다.

애플리케이션

이 화합물을 기반으로 한 염료는 내열성 및 내광성이 높습니다. 셀레나이드, 카드뮴 텔루라이드 및 황화수은의 첨가제는 분말의 색상을 녹황색 및 적자색으로 변경할 수 있습니다. 안료는 폴리머 제품의 제조에 사용됩니다.

황화카드뮴에는 다음과 같은 다른 용도가 있습니다.

감마선을 포함한 소립자의 검출기(기록기);
박막 트랜지스터;
GHz 범위에서 작동할 수 있는 압전 변환기;
의학 및 생물학에서 발광 라벨로 사용되는 나노와이어 및 튜브의 생산.

황화카드뮴에 태양광 패널

박막 태양 전지판은 대체 에너지 분야의 최신 발명품 중 하나입니다. 전력 생산에 사용되는 광물 매장량이 급격히 고갈됨에 따라 이 산업의 발전은 점점 더 시급해지고 있습니다. 황화카드뮴 기반 태양광 패널의 장점은 다음과 같습니다.

제조시 재료 비용 절감;
태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율성의 증가(기존 유형의 배터리의 경우 8%에서 CdS/CdTe의 경우 15%);
직사광선이 없을 때 에너지를 생성하고 안개가 자욱한 지역, 공기 중 먼지 함량이 높은 곳에서 배터리를 사용할 가능성.

태양 전지 제조에 사용되는 필름의 두께는 15-30미크론에 불과합니다. 그들은 요소의 크기가 1-5 미크론 인 세분화 된 구조를 가지고 있습니다. 과학자들은 미래의 박막 배터리가 소박한 작동 조건과 긴 수명으로 인해 다결정의 대안이 될 수 있다고 믿습니다.