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.
