Сульфид кадмия: свойства, получение и применение

Традиционно сульфид кадмия использовался как краситель. Его можно увидеть на полотнах таких великих художников, как Ван Гог, Клод Моне, Матисс. В последние годы интерес к нему связан с применением сульфида кадмия в качестве пленочного покрытия солнечных батарей и в фоточувствительных устройствах. Данное соединение характеризуется хорошим омическим контактом со многими материалами. Его сопротивление не зависит от величины и направления тока. Благодаря этому материал является перспективным для применения в оптоэлектронике, лазерной технике, светодиодах.

Общее описание

Сульфид кадмия – это неорганическое соединение, которое встречается в природе в виде редких минералов цинковой обманки и хоулиита. Они не представляют интереса для промышленности. Основным источником сульфида кадмия служит искусственный синтез.

По внешнему виду это соединение – порошок желтого цвета. Оттенки могут варьировать от лимонного до оранжево-красного. Благодаря своей яркой окраске и высокой стойкости к внешним воздействиям сульфид кадмия использовался в качестве высококачественного красителя. Широкую доступность вещество получило начиная с 18 века.

Химическая формула соединения – CdS. Оно имеет 2 структурные формы кристаллов: гексагональную (вюрцит) и кубическую (цинковая обманка). Под воздействием высокого давления образуется также третья форма, как у каменной соли.

Сульфид кадмия: свойства

Материал с гексагональной структурой решетки обладает следующими физико-механическими свойствами:

• температура плавления – 1475 °С;
• плотность – 4824 кг/м³;
• коэффициент линейного расширения – (4,1-6,5) мкК^-1;
• твердость по шкале Мооса – 3,8;
• температура сублимации – 980 °С.

Данное соединение является прямым полупроводником. При облучении светом его проводимость увеличивается, что дает возможность использовать материал в качестве фоторезистора. При легировании медью и алюминием наблюдается эффект люминесценции. Кристаллы CdS могут применяться в твердотельных лазерах.

Растворимость сульфида кадмия в воде – отсутствует, в разбавленных кислотах – слабая, в концентрированной соляной и серной кислоте – хорошая. В нем также хорошо растворяется Cd.

Для вещества характерны следующие химические свойства:

• выпадает в осадок при воздействии на раствор сероводорода или щелочных металлов;
• при реагировании с соляной кислотой образуются CdCl₂ и сероводород;
• при нагревании в атмосфере с избыточным содержанием кислорода окисляется до сульфата или окиси (это зависит от температуры в печи обжига).

Получение

Сульфид кадмия синтезируют несколькими способами:

• при взаимодействии паров кадмия и серы;
• в реакции сераорганических и кадмийсодержащих соединений;
• осаждением из раствора под воздействием H₂S или Na₂S.

Пленки на основе этого вещества изготавливают при помощи специальных методов:

• химическим осаждением с применением тиокарбамида в качестве источника сульфидных анионов;
• пульверизацией с последующим пиролизом;
• методом молекулярно-пучковой эпитаксии, при которой происходит выращивание кристаллов в условиях вакуума;
• в результате золь-гель процесса;
• способом ионного распыления;
• анодированием и электрофорезом;
• методом трафаретной печати.

Для изготовления пигмента осажденный твердый сульфид кадмия промывают, прокаливают для получения гексагональной формы кристаллической решетки, а затем измельчают до порошкообразного состояния.

Применение

Красители на основе данного соединения обладают высокой термо- и светостойкостью. Добавки из селенида, теллурида кадмия и сульфида ртути позволяют изменять цвет порошка на зелено-желтый и красно-фиолетовый. Пигменты используются в производстве полимерных изделий.

Существуют и другие области применения сульфида кадмия:

• детекторы (регистраторы) элементарных частиц, включая гамма-излучение;
• тонкопленочные транзисторы;
• пьезоэлектрические преобразователи, способные работать в диапазоне ГГц;
• изготовление нанопроволок и трубок, которые используются в качестве люминесцентных меток в медицине и биологии.

Солнечные батареи на сульфиде кадмия

Тонкопленочные солнечные батареи – это одно из последних изобретений в альтернативной энергетике. Развитие этой отрасли промышленности становится все актуальнее, так как запасы полезных ископаемых, служащих для получения электроэнергии, быстро истощаются. Преимуществами солнечных батарей на основе сульфида кадмия являются следующие:

• более низкие материальные затраты при их изготовлении;
• увеличение эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую (с 8% для традиционных видов батарей до 15% у CdS/CdTe);
• возможность выработки энергии при отсутствии прямых лучей и использования батарей в туманных районах, в местах с повышенной запыленностью воздуха.

Пленки, применяемые для изготовления солнечных элементов, имеют толщину всего 15-30 мкм. Они обладают зернистой структурой, размер элементов которой составляет 1-5 мкм. Ученые считают, что тонкопленочные батареи в будущем смогут стать альтернативой поликристаллическим благодаря неприхотливым условиям эксплуатации и длительному сроку службы.