Неруйнуюча ультразвукова оцінка температуро-залежних механічних і пружних властивостей сполук PbX (X = S, Se)
Анотація
Проведено всебічне дослідження пружних, механічних та термоакустичних властивостей монохалькогенідів свинцю PbX (X = S, Se) вздовж основних кристалографічних напрямків 〈100〉, 〈110〉 та 〈111〉 у діапазоні температур 0–300 К з використанням ультразвукового неруйнівного методу оцінки. Пружні постійні другого та третього порядку (SOEC та TOEC) були розраховані з використанням кулонівської та борнівсько-майєрівської потенційних моделей, що підтверджують пружну стабільність досліджуваних матеріалів. Похідні механічні параметри та швидкості ультразвуку були отримані з SOEC, що вказує на тендітну механічну поведінку, засновану на коефіцієнті Кнута. При температурі 300 К були визначені температура Дебая, швидкість Дебая, теплопровідність ґрат, параметр акустичної нелінійності та коефіцієнт ультразвукового згасання вздовж досліджуваних напрямків. Серед усіх напрямків орієнтація 〈111〉 показала найвищу температуру Дебая та швидкість Дебая. Домінуючим механізмом ультразвукового згасання було ідентифіковано механізм типу Ахіезера, що підкреслює його роль у тепловіддачі та акустичному демпфуванні. Результати показують, що PbSe має чудову пружну жорсткість, тоді як PbS демонструє підвищену теплопровідність і сильніші фононні взаємодії. Ці характеристики підкреслюють потенціал PbS та PbSe для застосування в термоелектричних і ультразвукових сенсорних технологіях.
Завантаження
Посилання
N. M. Ravindra, and V.K. Srivastava, “Properties of PbS, PbSe, and PbTe,” Physica Status Solidi (a), 58(1), 311(1980). https://doi.org/10.1002/pssa.2210580139
Y. Zhang, X. Ke, C. Chen, J. Yang, and P.R.C. Kent, “Thermodynamic properties of PbTe, PbSe, and PbS: First-principles study,” Physical Review B, 80(2), 024304 (12 pp.) (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.024304
L.D. Zhao, S.H. Lo, J. He, H. Li, K. Biswas, J. Androulakis, C.I. Wu, T.P. Hogan, D.Y. Chung, V.P. Dravid, and M.G. Kanatzidis, “High performance thermoelectrics from earth-abundant materials: Enhanced figure of merit in PbS by second phase nanostructures,” Journal of the American Chemical Society, 133(50), 20476–20487 (2011). https://doi.org/10.1021/ja208658w
K. Biswas, J. He, I.D. Blum, C. I Wu, T.P.Hogan, D.N.Seidman, V.P. Dravid, and M.G. Kanatzidis, “High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures,” Nature, 489(9), 414-418 (2012). https://doi.org/10.1038/nature11439
Kang, and F.W. Wise, “Electronic structure and optical properties of PbS and PbSe quantum dots,” Journal of the Optical Society of America B, 14(7), 1632-1646 (1997). https://doi.org/10.1364/JOSAB.14.001632
S. Tripathi, R. Agarwal, and D. Singh, “Nonlinear elastic, ultrasonic and thermophysical properties of lead telluride,” International Journal of Thermophysics, 40(8), 78 (2019). https://doi.org/10.1007/s10765-019-2539-8
Zair, B. E. Nabil Brahmi, and S. Bekhechi, “Structural, electronic and thermoelectric properties of PbS, PbSe and their ternary alloy PbSe1−xSx,” International Journal of Modern Physics C, 34(10), 2350130 (2023). https://doi.org/10.1142/S0129183123501309
P. Priyadarshini, D. Sahoo, and R. Naik, “A review on the optical properties of some germanium-based chalcogenide thin films and their applications,” Optical and Quantum Electronics, 54(3), 166191 (2022). https://doi.org/10.1007/s11082-022-03564-4
J. M. Skelton, S. C. Parker, A. Togo, I. Tanaka, and A. Walsh, “Thermal physics of the lead chalcogenides PbS, PbSe, and PbTe from first principles,” Physical Review B, 89(20), 205203 (2014). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205203
S. Anwar, S. Anwar, and B. K. Mishra, “Effect of bath temperature on PbSe thin films prepared by chemical synthesis,” Materials Science in Semiconductor Processing, 40(Dec. 2015), 910-916 (2015). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.07.077
X. Chen, Y. B. Zhu, Z. Xing, G. Tang, and H. Fan, “Synthesis of PbSe nanostructures with different size and morphology and their electrochemical properties,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 27(10), 1151–1157 (2016). https://doi.org/10.1007/s10854-015-3864-8
H.D. Jahromi, and M. Moaddeli, “Lead sulfide: a new candidate for optoelectronics applications in the ultraviolet spectral range,” Materials Research Express, 6(11), 116220 (2019). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab513d
S. Abe, “Phase transformation from PbS to PbSe: S in hot-wall deposition of nanocomposite thin film with evaporation sources of PbS and ZnSe,” Discover Applied Sciences, 3(1), 212 220 (2021). https://doi.org/10.1007/s42452-021-04236-w
C.K. Bandoh, I. Nkrumah, F.K. Ampong, R.K. Nkrumah, and F. Boakye, “Effect of annealing on the structure and optical properties of lead selenide and cadmium selenide thin film prepared by chemical bath deposition,” Chalcogenide Letters, 18(2), 81-89 (2021). https://doi.org/10.15251/CL.2021.182.81
B. Batu and T. Tamasgen, “Effects of thickness on optical and structural properties of lead sulfide (PbS) thin film prepared by chemical bath deposition,” Journal of Natural Sciences Research, 13(9), 1-6 (2022). https://doi.org/10.7176/JNSR/13-9-01
N. Khusayfan, H. Khanfar, and R.N. Alharbi, Fabrication and characterization of lead selenide thin film as X-ray sensors, photovoltaic devices and microwave resonators,” Applied Physics A, 129(9), 639 (8 pp.) (2023). https://doi.org/10.1007/s00339-023-06909-2
C. Yang, X. Zhang X, P. Li, S. Chen, and S. Feng, “Electrochemical synthesis of hierarchical porous PbSe film and its infrared photodetection properties,” Applied Surface Science, 663, 160145 (2024). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.160145
K. Brugger, “Thermodynamic definition of higher order elastic coefficients,” Physical Review, 133, A1611-A1612 (1964). https://doi.org/10.1103/PhysRev.133.A1611
G. Leibfried, and W. Ludwig, “Theory of anharmonic effects in crystals,” in: Solid State Physics, vol. 12, edited by F. Seitz, and D. Turnbull (Academic Press, New York, 1961), pp. 275-444. https://doi.org/10.1016/S0081-1947(08)60656-6
P.B. Ghate, “Third order elastic constants of alkali halide crystals,” Physical Review, 139(5A), A1666-A1674 (1965). https://doi.org/10.1103/PhysRev.139.A1666
S. Mori, and Y. Hiki, “Calculation of the third- and fourth-order elastic constants of alkali halide crystals,” Journal of the Physical Society of Japan, 45(5), 1449-1456 (1978). https://doi.org/10.1143/JPSJ.45.1449
J. Bala, S.P. Singh, A.K. Verma, D.K. Singh, and D. Singh, “Elastic, mechanical and ultrasonic studies of boron monopnictides in two different structural phases,” Indian Journal of Physics, 96(11), 3191-3200 (2022). https://doi.org/10.1007/s12648-021-02278-9
S. Tripathi, R. Agarwal, and D. Singh, “Elastic, mechanical and ultrasonic properties of nanostructured IIIrd group phosphides,” MAPAN – Journal of Metrology Society of India, 36(1), 97–107 (2021). https://doi.org/10.1007/s12647-020-00412-2
Singh, and D. Singh, "Investigation of alkali halide crystals AX (A = Li, Na, K; X = F, Cl, Br) by elastic, mechanical and ultrasonic analysis," Zeitschrift für Naturforschung A, 78(10), 947-958 (2023). https://doi.org/10.1515/zna-2023-0138
Cz. Jasiukiewicz, and V. Karpus, “Debye temperature of cubic crystals,” Solid State Communications, 128(5), 167-169 (2003), https://doi.org/10.1016/j.ssc.2003.08.008
C. Tripathy, D. Singh, and R. Paikaray, “Behaviour of elastic and ultrasonic properties of curium monopnictides,” Canadian Journal of Physics, 96(5), 513-518 (2018). https://doi.org/10.1139/cjp-2017-0491
J. Bala, and D. Singh, Elastic and ultrasonic properties of fermium monopnictides,” Engineering and Applied Science Research, 47(2), 182-189 (2020). https://ph01.tci-thaijo.org/index.php/easr/article/view/216247
D.E. Gray, American Institute of Physics Handbook, 3rd ed. (McGraw-Hill, New York, 1972).
D. Singh, “Behaviour of acoustic attenuation in rare-earth chalcogenides,” Materials Chemistry and Physics, 115(1), 65-68 (2009). https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2008.11.025
Y. I. Hwang, D. Sung, H.J. Kim, S. J. Song, K. B. Kim, and S. S. Kang, “Propagation and attenuation characteristics of an ultrasonic beam in dissimilar metal welds,” Sensors, 20(21), 6259-6276 (18 pp.) (2020). https://doi.org/10.3390/s20216259
W. P. Mason, Effect of impurities phonons processes on the ultrasonic attenuation of germanium crystal, quartz and silicon, In: Physical Acoustics. vol III B, edited by W. P. Mason (Academic Press, New York, 1965), pp 237-286. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-395669-9.50013-8
D. Singh, A. Kumar, V. Bhalla, and R. K. Thakur, “Mechanical and thermophysical properties of actinide monocarbides,” Modern Physics Letters B, 32(21), 1850248 (2018). https://doi.org/10.1142/S0217984918502482
D. Singh, D.K. Pandey, D. K. Singh, and R.R. Yadav, “Propagation of ultrasonic waves in neptunium monochalcogenides,” Applied Acoustics, 72(10), 737-741 (2011). https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2011.04.002
E.M. El-Menyawy, G.M. Mahmoud, R.S. Ibrahim, F.S. Terra, H. El-Zahed, and I.K. El Zawawi, “Structural, optical and electrical properties of PbS and PbSe quantum dot thin films,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 27(10), 10070-10077 (2016). https://doi.org/10.1007/s10854-016-5080-6
M.P. Tosi, Cohesion of ionic solids in the Born model, In: Solid State Physics, vol 16, edited by F. Seitz, and D. Turnbull (Academic Press, New York, 1961), pp. 1–120. https://doi.org/10.1016/S0081-1947(08)60515-9
J.F. Nye, Physical Properties of Crystals: Their Representation by Tensors and Matrices. (Oxford University Press, New York 1985).
C.S.G. Cousins, “New relations between elastic constants of different orders under central force interactions,” Journal of Physics C: Solid State Physics, 4(10), 1117-1123 (1971). https://doi.org/ 10.1088/0022-3719/4/10/020
A. Singh, S. Tripathi, and D. Singh, “Elastic, thermophysical and ultrasonic investigation of tin monochalcogenides,” Modern Physics Letters B, 38(32), 2450280 (2024). https://doi.org/10.1142/S0217984924502804
O. Madelung, M. Schulz, and H. Weiss, editors, Numerical Data and Functional Relationships in Science and Technology Landolt-Bornstei, New Series, vol. 17, (Springer, Berlin, 1983).
H. Takia, M.A. Rahman, R. Moshiur, M.M. Rahaman, and K. Hossen, “The substantive characteristics of layered PbX (X= S, Se, and Te) compounds: An ab-inito investigations,” International Journal of Physics, 10(2), 102-110 (2022). https://doi.org/10.12691/ijp-10-2-3
T. Seetawan, and H. Wattanasarn, “First principle simulation mechanical properties of PbS, PbSe, CdTe and PbTe by molecular dynamics,” Procedia Engineering, 32, 609-613 (2012). https://doi.org/10.1016/j.proeng.2012.01.1316
P. Ravindran, L. Fast, P. Korzhavyi, B. Johansson, J. Wills and O. Eriksson, “Density functional theory for calculation of elastic properties of orthorhombic crystals: Application to TiSi2,” Journal of Applied Physics, 84(9), 4891(1998). https://doi.org/10.1063/1.368733
H. Ozisik, E. Deligoz, G. Surucu, and H.B. Ozisik, Anisotropic elastic and vibrational properties of Ru2B3 and Os2B3: a first-principles investigation,” Materials Research Express, 3(7), 076501 (2016). https://doi.org/10.1088/2053-1591/3/7/076501
Kumar, “Ultrasonic velocity ratio: An effective tool for in-situ materials characterization,” Acta Acustica united with Acustica, 104(2), 251-258 (2018). https://doi.org/10.3813/AAA.919167
Y. L. Pei, and Y. Liu, “Electrical and thermal transport properties of Pb-based chalcogenides: PbTe, PbSe, and PbS,” Journal of Alloys and Compounds, 514(2), 40-44(2012). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.10.036
L. Wei, J. F. Chen, Q. Y. He, and W. Teng, “Study of lattice thermal conductivity of PbS,” Journal of Alloys and Compounds, 584(1), 381-384 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.09.081
S. Johnsen, J. Q. He, J. Androulakis, V. P. Dravid, I. Todorov, D. Y. Chung, and M. G. Kanatzidis, “Nanostructures boost the thermoelectric performance of PbS,” Journal of the American Chemical Society, 133(10), 3460–3470 (2011). https://doi.org/10.1021/ja109138p
L.D. Zhao, S.H. Lo, J.Q. He, H. Li, K. Biswas, J. Androulakis, C. Wu, et al., “High performance thermoelectrics from earth-abundant materials: Enhanced figure of merit in PbS by second phase nanostructures,” Journal of the American Chemical Society, 133(50), 20476–20487 (2011). https://doi.org/10.1021/ja208658w
D. Singh, R.R. Yadav, and A.K. Tiwari, Ultrasonic attenuation in semiconductors,” Indian Journal of Pure and Applied Physics, 40(12), 845-849 (2002). https://nopr.niscpr.res.in/handle/123456789/26219
K. Ono, “A comprehensive report on ultrasonic attenuation of engineering materials, including metals, ceramics, polymers, fiber-reinforced composites, wood, and rocks,” Applied Sciences, 10(7), 2239 (52 pp.) (2020). https://doi.org/10.3390/app10072230
K.M. Raju, R.K. Srivastava, A. Kumar, and S. Devi, “Acoustical investigation of lead chalcogenides,” Physica B: Condensed Matter, 405(23), 4855-4857 (2010). https://doi.org/10.1016/j.physb.2010.09.018
Авторське право (c) 2026 Судханшу Тріпаті, Правеен Сінгх, Анураг Сінгх, Деврадж Сінгх, Р. Кхената, М. Буджелал, Х. Мераджи, Аджит Кумар Маддхешія, Шанай Раб, М. Файзан, С. Бін-Омран
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
