Современное развитие науки и техники ставит перед производством оптикоэлектронных приборов и устройств принципиально новые задачи, для решения которых необходимо существенно улучшить параметры современных оптоэлектронных систем и создать принципиально новую элементную базу.
В современных технологиях обработки материалов большое внимание уделяется методам вакуумной, в том числе, ионной технологии, позволяющим создавать поверхностные структуры с прогнозируемыми физико-химическими и технологическим свойствами.
На базе научно-исследовательских и конструкторских разработок по исследованию процессов взаимодействия заряженных частиц с поверхностями твердых тел создано новое технологическое направление — ионная обработка материалов, которую возможно использовать для обработки перспективных материалов, создания электронно-оптических и телекоммуникационных приборов.
В связи с этим создание устройств передачи и приема, преобразования и обработки информации на основе модифицированных материалов, разработка новых способов создания материалов, легированных различными добавками, в том числе редкоземельными элементами с целью формирования заданных технологических свойств с улучшенными параметрами, исследование их физико-химических свойств представляют большой научный и непосредственно практический интерес.
Анализ научно-технической литературы и информации по исследованию физико-химических свойств оптических материалов и созданию на их основе электронно-оптических устройств позволяет сделать вывод о том, что существуют работы, в которых были исследованы оптические свойства материалов, легированных различными примесями, для формирования светотехнических и усилительных характеристик обычными химическими методами, которые имеют следующие недостатки: большое содержание гидроксильных групп, трудности изготовления оптических заготовок вследствие многостадийности процесса, требующего перехода с одного оборудования на другое.
В последнее время больше внимания уделяется исследованиям физико-химических и оптических свойств покрытий редкоземельных металлов на оптических материалах. Редкоземельные элементы, как материалы для исследования процессов по их легированию в другие материалы, являются малоизученными, и пока технологически сложными. Например, соединения эрбия из-за высоких окислительных свойств являются нестабильными, легко взаимодействуют с воздухом и водой, а в обычных технологических процессах изготовления оптических усилителей используются водные растворы хлорида эрбия.
Эрбий входит в состав лантаноидов и примыкает к группе четырнадцати родственных элементов (церия, презеодима, неодима, прометия, самария, европия, гадолиния, тербия, диспрозия, гольмия, тулия, иттербия и лютеция). В семействе лантаноидов элементы имеют два внешних электронных слоя, которые построены почти одинаково, а изменения претерпевает третий слой, число электронов которого возрастает от 18 до 32 (от лантана к лютецию). Так как химические свойства элементов связаны со структурой внешних электронных слоев, изменение числа электронов отражается на них довольно слабо. Поэтому все лантаноиды по свойствам похожи друг на друга и являются как бы членами «гомологического ряда» лантана.
В природе лантаноиды очень рассеяны и встречаются всегда в смесях друг с другом, лантаном и иттрием. Несмотря на то, что содержание почти всех лантаноидов в земной коре больше, чем «обычных» элементов, например ртути, их практическое использование невелико. Одной из причин этого является трудность отделения элементов друг от друга. В свободном состоянии лантаноиды представляют собой типичные металлы, по большинству свойств сходные с лантаном (церий-европий) или иттрием (гадолиний- лютеций). Все лантаноиды, как правило, трехвалентны.
Элементы из семейства лантаноидов являются серебристо- белыми металлами, но на воздухе они более или менее быстро приобретают серый или слабо желтый оттенок. Их важнейшие константы приведены ниже [1].
Рис. 1.
Электропроводность этих металлов, как правило, близка к электропроводности ртути. По относительной стоимости (если принять стоимость золота за единицу) на мировом рынке лантаноиды образуют три группы соответственно с коэффициентами 0,2 (Се, Pr, Nd) 0,5 (Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb) 2,5 (Eu, Tb, Tu, Lu). Электрохимические эквиваленты для эрбия составляют 0,579 мг/Кл и 2,084 гАч. В 0,5 нормальном растворе фосфорной кислоты ток обмена составляет 1,8 10° А на квадратный сантиметр.
Согласно данным, [1] эрбий взаимодействует с азотом при нагревании, образуя нитрид эрбия, взаимодействует с водой и водородом при нагревании, и медленно взаимодействует с воздухом. Незначительные взаимодействия наблюдаются с едким калием. Заметно взаимодействует эрбий с азотной кислотой, серной и соляной кислотой. Слабое взаимодействие наблюдается с фосфорной кислотой, плавиковой кислотой и гидроокисью натрия. Аналогичные химические свойства проявляются и у других лантаноидов. Известно, что эрбий при низких температурах реагирует с водородом с образованием ЕгН3, а при температурах 600–800°С с образованием ЕгН2. Оба гидрида представляют собой кристаллические вещества (пирофорны в мелкодисперсном состоянии).
Соединение типа ЕгС13 образуется дегидратацией кристаллогидратов или взаимодействием окислов с NFLiCl. Гигроскопичные соединения с температурой плавления 1480–2030°С хорошо растворяются в воде, пиридине, этиловом спирте, образуют комплексы, двойные хлориды, оксихлориды, поглощают аммиак.
Бромиды эрбия могут быть образованы дегидратацией кристаллогидратов или взаимодействием оксида эрбия с NH4Br. Соединения очень гигроскопичны, температура плавления составляет 640–950°С, при обычной температуре реагируют с аммиаком.
Соединения эрбия с йодом получают синтезом из элементов. Температура плавления составляет 737–10500С. Соединения образуют комплексы.
При взаимодействии окислов с фтористоводородной кислотой при 700°С или дегидратации кристаллогидратов, образуются соединения типа ErF3.Температура плавления соединений составляет 1140–1500°С. Соединения мало растворимы в воде и минеральных кислотах, однако растворимы в HF NH4F, разлагаются концентрированной серной кислотой, склонны к образованию комплексов и двойных фторидов.
При взаимодействии оксидов или хлоридов эрбия с H2S образуются соединения эрбия с серой (как правило, при нагревании в присутствии алюминия). Сульфиды образуются также в запаянных ампулах при нагреве с серой в вакууме. Сульфиды, как правило, тугоплавки, температура плавления их превышает 1300°С.
Соединения с кислородом, типа ЕrО3, получают при нагревании в кислороде. Оксиды отличаются высокой жаростойкостью, не разлагаются разбавленными минеральными кислотами и щелочами (температура плавления выше 2000°С).
Ампульным синтезом могут быть получены соединения эрбия с фосфором (возможно соединение фосфина с эрбием), соединения эрбия с теллуром и селеном при температурах 1400–2000°С. Возможно получение соединений эрбия с кремнием и германием (соединения устойчивы до 5000С, однако разлагаются кислотами и водой).
Нитрид эрбия может быть получен путем непосредственного взаимодействия металлов с азотом в среде азота, или аммиака, при нормальном давлении и температуре 800–1200°С, а также азотированием гидридов или восстановлением оксидов углем с одновременным азотированием. Нитриды устойчивы в сухом воздухе, легко гидролизуются в воде и влажном воздухе, разлагаются в растворах кислот и щелочей.
Получены также дибориды эрбия путем синтеза элементов при взаимодействии оксидов металлов с карбидом бора и восстановлением металлов бором в вакууме. Бориды обладают высокими (2000–2500°С) температурами плавления, высокой электропроводностью и твердостью. Гексабориды имеют низкие значения работы выхода.
Получены также бериллиды всех лантаноидов при сплавлении бериллия с металлами в среде аргона или восстановлением в вакууме. Свойства соединений не изучены. Соединения эрбия с углеродом легко разлагаются водой, алюминиды эрбия хрупки и неустойчивы, ряд других соединений не представляет практического интереса и слабо изучен. Свойства соединений эрбия [2] изучены недостаточно, однако для практического использования применимы лишь чистый эрбий, оксид эрбия и соли эрбия (хлориды, нитраты). Нет данных по соединениям эрбия с органическими материалами.
При термическом испарении лантаноидов в вакууме, в том числе, эрбия, необходим нагрев материала до температуры образования насыщающих паров порядка 1–100 Па. В случае нагрева эрбия, таких данных нет, однако, исходя из данных по другим материалам, при температурах плавления 1400–1500°С необходимые температуры испарения составят не менее 2000–21000С. В случае нагрева электронным потоком (например, в медном водоохлаждаемом тигле), при электронно-лучевом испарении рефлектированная мощность составит не менее 15–20 %. При испарении эрбия из вольфрамовых лодочек в вакууме, или тиглей из диборида титана, молибдена, или углерода, возможно его заметное взаимодействие с материалом тигля.
Литература:
- Свойства элементов. Справочник под ред. Самсонова В. Г. – М.: Металлургия, 1976. – 383 с.
- Серебрянников В. В. Химия редкоземельных элементов. – Томск: изд. Томского университета, 1959. – 520 с.
