mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2016-2-87-94mateltech-267Research ArticleМатериаловедение и технология. ПолупроводникиMATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY. SEMICONDUCTORSИсследование фазовых равновесий тройной системы Zn—Se—Fe для лазерных технологийInvestigation of the phase diagram of the Zn—Se—Fe ternary system for laser applicationЗыковаМ. П.ZykovaM. P.

Зыкова Марина Павловна — аспирант кафедры химии и технологии кристаллов

Миусская пл., д. 9, Москва, 125047

Marina P. Zykova — Aspirant of the Department of Chemistry and Technology of Crystals 

9 Miusskaya Sq., Moscow, 125047

zykova_mp@inbox.ruКролевецкаяВ. Ю.KrolevetskayaV. Yu.

Кролевецкая Виктория — магистр кафедры химии и технологии кристаллов

Миусская пл., д. 9, Москва, 125047

Victoria Krolevetskaya — Magistrate of the Department of Chemistry and Technology of Crystals

 9 Miusskaya Sq., Moscow, 125047

МожевитинаЕ. Н.MozhevitinaE. N.

Можевитина Елена Николаевна -— кандидат химических наук, научный сотрудник

 ул. Тропинина, д. 49, Нижний Новгород, 603950

Elena N. Mozhevitina — Cand. Sci. (Chem.), Scientific Researcher

49 Troponina Str., Nizhny Novgorod 603950

 

ГаврищукЕ. М.GavrishchukE. M.

Гаврищук Евгений Михайлович — доктор химических наук, заведующий лабораторией

 ул. Тропинина, д. 49, Нижний Новгород, 603950

Evgeny M. Gavrishchuk — Dr. Sci. (Chem.), Head of Laboratory

49 Troponina Str., Nizhny Novgorod 603950

АветисовИ. Х.AvetissovI. Сh.

Аветисов Игорь Христофорович — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов

Миусская пл., д. 9, Москва, 125047 д, 603950

Igor Сh. Avetissov — Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of the Department of Chemistry and Technology

 

9 Miusskaya Sq., Moscow, 125047

Российский химико-технологический университет им. Д. И. МенделееваРоссияDmitry Mendeleev University of Chemical Technology of RussiaRussian FederationИнститут химии высокочистых веществ им. Г. Г. Девятых РАНРоссияInstitute of Chemistry of High-Purity Substances of RASRussian Federation2016300620161928794Copyright © Зыкова М.П., Кролевецкая В.Ю., Можевитина Е.Н., Гаврищук Е.М., Аветисов И.Х., 20162016Зыкова М.П., Кролевецкая В.Ю., Можевитина Е.Н., Гаврищук Е.М., Аветисов И.Х.Zykova M.P., Krolevetskaya V.Y., Mozhevitina E.N., Gavrishchuk E.M., Avetissov I.С.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/267

Проведен теоретический и экспериментальный анализ фазовых равновесий в тройной системе Zn—Se—Fe с применением рентгенофазового анализа и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Получены данные о моновариантных равновесиях в изотермических сечениях при температуре 730, 814 и 1073 К, а также сведения о растворимости железа в условиях би- и моновариантных равновесий при 1073 К. Определен фазовый состав образцов системы Zn—Se—Fe, синтезированных при различных температурах и разном валовом составе. Подтверждена достоверность теоретически построенных изотермических сечений Т—Х—Y-проекции P—T— Х—Y-диаграммы тройной системы Zn—Se—Fe.

The problem of obtaining crystalline ZnSe doped with d-elements for obtaining high-efficiency laser materials with characteristics in a wide IR range don’t possible successfully solved without reliable data on phase equilibrium and solubility of the components entering the system. The theoretical and experimental analysis of the three-component Zn—Se—Fe system for obtaining new fundamental information on phase using X-ray analysis (XRD) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) was carried out. New experimental data of isothermal annealing in the ternary Zn—Se—Fe system at the temperatures 730 K (I, II), 814 K (III, IV), 1073 K (V), as well as information on Fe solubility in bi- and monovariant conditions by X-ray studies have shown the existence of the coexistence of the following phases: Fe3Zn10-Fe11Zn40-Zn-ZnSe (I), ZnSe-FeSe2-Fe7Se8 (II), ZnSe-Fe3Zn10-Fe (III), FeSe2-Fe7Se8-Se (IV), ZnSe-FeSe- Fe3Se4 (V), ZnSe-FeSe (VI) and confirmed the reliability of theoretical isothermal sections.

тройная система Zn—Se—Feфазовые равновесияT—X—Y-диаграммаселенид цинкалазерные материалыtriple systemzinc selenidelaser materialsРоссийский научный фонд (грант №15-13-10028).Russian Science Foundation (grant 15–13–10028)ReferencesFedorov, V. V. 3.77-5.05-µm tunable solid-state lasers based on Fe2+-doped ZnSe crystals operating at low and room temperatures / V. V. Fedorov, S. B. Mirov, A. Gallian, D. V. Badikov, M. P. Frolov, Y. V. Korostelin, V. I. Kozlovsky, A. I. Landman, Y. P. Podmar’kov, V. A. Akimov, A. A. Voronov // IEEE J. Quant. Electron. - 2006. - V. 42, N 9. - P. 907—917. DOI: 10.1109/JQE.2006.880119Fedorov V. V., Mirov S. B., Gallian A., Badikov D. V., Frolov M. P., Korostelin Y. V., Kozlovsky V. I., Landman A. I., Podmar’kov Y. P., Akimov V. A., Voronov A. A. 3.77—5.05-µm tunable solid-state lasers based on Fe2+-doped ZnSe crystals operating at low and room temperatures. IEEE J. Quant. Electron., 2006, vol. 42, no. 9, pp. 907—917. DOI: 10.1109/JQE.2006.880119Lancaster, A. Mid-infrared laser emission from Fe : ZnSe cladding waveguides / A. Lancaster, G. Cook, S. A. McDaniel, J. Evans, P. A. Berry, J. D Shephard., A. K. Kar // Appl. Phys. Lett. - 2015. - V. 107, iss. 3. - P. 031108. DOI: 10.1063/1.4927384Lancaster A., Cook G., McDaniel S. A., Evans J., Berry P. A., Shephard J. D., Kar A. K. Mid-infrared laser emission from Fe: ZnSe cladding waveguides. Appl.Phys. Lett., 2015, vol. 107, no. 3, p. 031108. DOI: 10.1063/1.4927384Malguth, E. Fe in III–V and II–VI semiconductors / E. Malguth, A. Hoffmann, M. R. Phillips // Phys. Status Solidi B. - 2008. - V. 245, iss. 3. - P. 455—480. DOI: 10.1002/pssb.200743315Malguth E., Hoffmann A., Phillips M. R. Fe in III–V and II–VI semiconductors. Phys. Status Solidi B, 2008, vol. 245, no. 3, pp. 455—480. DOI: 10.1002/pssb.200743315Kozlovsky, V. I. Room-temperature tunable mid-infrared lasers on transition-metal doped II–VI compound crystals grown from vapor phase / V. I. Kozlovsky, V. A. Akimov, M. P. Frolov, Yu. V. Korostelin, A. I. Landman, V. P. Martovitsky, V. V. Mislavskii, Yu. P. Podmar’kov, Ya. K. Skasyrsky, A. A. Voronov // Phys. Status Solidi B. - 2010. - V. 247, iss. 6. - P. 1553—1556. DOI: 10.1002/pssb.200983165Kozlovsky V. I., Akimov V. A., Frolov M. P., Korostelin Yu. V., Landman A. I., Martovitsky V. P., Mislavskii V. V., Podmar’kov Yu. P., Skasyrsky Ya. K., Voronov A. A. Room-temperature tunable mid- infrared lasers on transition-metal doped II–VI compound crystals grown from vapor phase. Phys. Status Solidi B, 2010, vol. 247, no. 6, pp. 1553—1556. DOI: 10.1002/pssb.200983165Firsov, K. N. Laser on single-crystal ZnSe : Fe2+ with high pulse radiation energy at room temperature / K. N. Firsov, M. P. Frolov, E. M. Gavrishchuk, S. Yu. Kazantsev, I. G. Kononov, Yu. V. Korostelin, A. A. Maneshkin, S. D. Velikanov, I. M. Yutkin, N. A. Zaretsky, E. A. Zotov // Laser Phys. Lett. - 2015. - V. 13, N 1. - P. 015002. DOI: 10.1088/1612-2011/13/1/015002Firsov K. N., Frolov M. P., Gavrishchuk E. M., Kazantsev S. Yu., Kononov I. G., Korostelin Yu. V., Maneshkin A. A., Velikanov S. D., Yutkin I. M., Zaretsky N. A., Zotov E. A. Laser on single-crystal ZnSe : Fe2+with high pulse radiation energy at room temperature. Laser Physics Lett., 2015, vol. 13, no. 1, p. 015002. DOI: 10.1088/1612-2011/13/1/015002Mirov, S. B. Erbium fiber laser-pumped continuous-wave microchip Cr2+ : ZnS and Cr2+ : ZnSe lasers / S. B. Mirov, V. V. Fedorov, K. Graham, I. S. Moskalev, V. V. Badikov, V. Panyutin // Optics Lett. - 2002. - V. 27, iss. 11. - P. 909—911. DOI: 10.1364/OL.27.000909Mirov S. B., Fedorov V. V., Graham K., Moskalev I. S., Badikov V. V., Panyutin. V. Erbium fiber laser-pumped continuous-wave microchip Cr2+ : ZnS and Cr2+ : ZnSe lasers. Optics Lett., 2002, vol. 27, no. 11, pp. 909—911. DOI: 10.1364/OL.27.000909Sanghera, J. Ceramic laser materials / J. Sanghera, W. Kim, G. Villalobos, B. Shaw, C. Baker, J. Frantz, B. Sadowski, I. Aggarwal // Materials. - 2012. - V. 5, iss. 2. - P. 258—277. DOI: 10.3390/ma5020258Sanghera J., Kim W., Villalobos G., Shaw B., Baker C., Frantz J., Sadowski B., Aggarwal I. Ceramic laser materials. Materials, 2012, vol. 5, no. 2, pp. 258—277. DOI: 10.3390/ma5020258Il’ichev, N. N. Nonlinear transmittance of ZnSe : Fe2+ crystal at a wavelength of 2.92 µm / N. N. Il’ichev, P. V. Shapkin, L. A. Kulevsky, E. S. Gulyamova, A. S. Nasibov // Laser Phys. - 2007. - V. 17, iss. 2. - P. 130—133. DOI: 10.1134/S1054660X07020132Il’ichev N. N., Shapkin P. V., Kulevsky L. A., Gulyamova E. S., Nasibov A. S. Nonlinear transmittance of ZnSe: Fe2+ crystal at a wavelength of 2.92 µm. Laser Phys., 2007, vol. 17, no. 2, pp. 130—133. DOI: 10.1134/S1054660X07020132Tomashyk, V. Ternary alloys based on II-VI semiconductor compounds / V. Tomashyk, P. Feychuk, L. Shcherbak. - Boca Ration ; London ; New York : CRC Press, 2013. - 560 p.Tomashyk V., Feychuk P., Shcherbak L. Ternary alloys based on II-VI semiconductor compounds. Boca Ration; London; New York: CRC Press, 2013. 560 p.Сысоев, Л. А. Получение и свойства монокристаллов селенида цинка / Л. А. Сысоев, В. М. Андреев, Э. К. Райскин, Г. М. Иванова, В. Р. Гурьев // Монокристаллы, сцинтилляторы и органические люминофоры. - Харьков: ВНИИ монокристаллов, 1968. - С. 135—136.Sysoev L. A., Andreev V. M., Raiskin E. K., Ivanova G. M., Guriev V. R. Preparation and properties of single crystals of zinc selenide. In: Single crystals, scintillators and organic luminophors Kharkov: VNII monokristallov, 1968, pp. 135—136. (In Russ.).Okamoto, H. Phase diagrams of binary iron alloys. Series: Monograph series on alloy phase diagrams. V. 9 / H. Okamoto. - Materials Park (OH): ASM International, 1993. - 472 p. (P. 56).Okamoto H. Phase diagrams of binary iron alloys. Series: Monograph series on alloy phase diagrams, vol. 9. Materials Park (OH): ASM International, 1993. 472 p. (P. 56).Кубашевски, О. Диаграммы состояния двойных систем на основе железа : справочник / О. Кубашевски. - M.: Металлургия, 1985. - 184 с.Kubaschewski O. Iron-binary phase diagrams. Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 1982. 194 p. DOI: 10.1007/978-3-662-08024-5Avetissov, I. Universal approach for nonstoichiometry determination in binary chemical compounds / I. Avetissov, E. Mozhevitina, A. Khomyakov, T. Khanh // Cryst. Res. Technol. - 2015. - V. 50, iss. 1. - P. 93—100. DOI: 10.1002/crat.201400201Avetissov I., Mozhevitina E., Khomyakov A., Khanh T. Universal approach for nonstoichiometry determination in binary chemical compounds. Cryst. Res. Technol., 2015, vol. 50, no. 1, pp. 93—100. DOI: 10.1002/crat.201400201Nakano, J. A crystallographically consistent optimization of the Zn—Fe system / J. Nakano, D. V. Malakhov, G. R. Purdy // Calphad. - 2005. - V. 29, iss. 4. - P. 276—288. DOI: 10.1016/j.calphad.2005.08.005Nakano J., Malakhov D. V., Purdy G. R. A crystallographically consistent optimization of the Zn—Fe system. Calphad, 2005, vol. 29, no. 4, pp. 276—288. DOI: 10.1016/j.calphad.2005.08.005Raghavan, V. Fe-Zn (Iron-Zinc) / V. Raghavan // J. Phase Equilibria. - 2003. - V. 24, iss. 6. - P. 544—545. DOI: 10.1361/105497103772084598Raghavan V. Fe-Zn (Iron-Zinc). J. Phase Equilibria, 2003, vol. 24, no. 6, pp. 544—545. DOI: 10.1361/105497103772084598Dicarlo, J. Preparation and properties of iron-doped II–VI chalcogenides / J. Dicarlo, M. Albert, K. Dwight, A. Wold // J. Solid State Chem. - 1990. - V. 87, iss. 2. - P. 443—448. DOI: 10.1016/00224596(90)90047-2Dicarlo J., Albert M., Dwight K., Wold A. Preparation and properties of iron-doped II–VI chalcogenides. J. Solid State Chem., 1990, vol. 87, no. 2, pp. 443—448. DOI: 10.1016/0022-4596(90)90047-2Williams, A. J. The stoichiometry of FeSe / A. J. Williams, T. M. McQueen, R. J. Cava // Solid State Communications. - 2009. - V. 149, iss. 37–38. - P. 1507—1509. DOI: 10.1016/j.ssc.2009.07.011Williams A. J., McQueen T. M., Cava R. J. The stoichiometry of FeSe. Solid State Communications, 2009. vol. 149, no. 37–38, pp. 1507—1509. DOI: 10.1016/j.ssc.2009.07.011Lee, P. M. X-ray near-edge structure analysis of ZnSe, ZnMnSe and ZnFeSe: experimental and theoretical studies / P. M. Lee, A. Kisiel, E. Burattini, M. Demianiuk // J. Phys.: Condens. Matter. - 1994. - V. 6, N 29. - P. 5771. DOI: 10.1088/09538984/6/29/019Lee P. M., Kisiel A., Burattini E., Demianiuk M. X-ray nearedge structure analysis of ZnSe, ZnMnSe and ZnFeSe: experimental and theoretical studies. J. Phys.: Condens. Matter, 1994, vol. 6, no. 29, p. 5771. DOI: 10.1088/0953-8984/6/29/019Deminiuk, M. Growth of Zn(1-x)Mn(x)Se and Zn(1-x)Fe(x) Se mixed crystals / M. Deminiuk // Mater. Res. Bull. - 1990. - V. 25, iss. 3. - P. 337—342. DOI: 10.1016/0025-5408(90)90105-BDeminiuk M. Growth of Zn(1-x)Mn(x)Se and Zn(1-x)Fe(x) Se mixed crystals. Mater. Res. Bull., 1990, vol. 25, no. 3, pp. 337—342. DOI: 10.1016/0025-5408(90)90105-BAvetissov, I. Nonstoichiometry and luminescent properties of ZnSe crystals grown from melt and vapor / I. Avetissov, K. Chang, N. Zhavoronkov, A. Davydov, E. Mozhevitina, A. Khomyakov, S. Kobeleva, S. Neustroev // J. Crystal Growth. - 2014. - V. 401. - P. 686—690. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.01.003Avetissov I., Chang K., Zhavoronkov N., Davydov A., Mozhevitina E., Khomyakov A., Kobeleva S., Neustroev S. Nonstoichiometry and luminescent properties of ZnSe crystals grown from melt and vapor. J. Crystal Growth, 2014, vol. 401, pp. 686—690. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2014.01.003Gavrishuk, E. Growth of high optical quality zinc chalcogenides single crystals doped by Fe and Cr by the solid phase recrystallization technique at barothermal treatment / E. Gavrishuk, V. Ikonnikov, T. Kotereva, D. Savin, S. Rodin, E. Mozhevitina, R. Avetisov, M. Zykova, I. Avetissov, K. Firsov, S. Kazantsev, I. Kononov, P. Yunin // J. Crystal Growth. - 2017. - V. 468. - P. 655—661. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.009Gavrishuk E., Ikonnikov V., Kotereva T., Savin D., Rodin S., Mozhevitina E., Avetisov R., Zykova M., Avetissov I., Firsov K., Kazantsev S. , Kononov I., Yunin P. Growth of high optical quality zinc chalcogenides single crystals doped by Fe and Cr by the solid phase recrystallization technique at barothermal treatment. J. Crystal Growth, 2017, vol. 468, pp. 655—661. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2016.11.009Gavrishchuk, E. M. Room-temperature high-energy Fe2+: ZnSe laser / E. M. Gavrishchuk, S. Yu. Kazantsev, I. G. Kononov, A. Rodin, K. N. Firsov // Quantum Electron. - 2014. - V. 44, N 6. - P. 505—506. DOI: 10.1070/QE2014v044n06ABEH015503Gavrishchuk E. M., Kazantsev S. Yu., Kononov I. G., Rodin S. A., Firsov K. N. Room-temperature high-energy Fe2+ : ZnSe laser. Quantum Electron., 2014, vol. 44, no. 6, pp. 505—506. DOI: 10.1070/QE2014v044n06ABEH015503

The authors declare that there are no conflicts of interest present.