Селенид олова - Tin selenide

Селенид олова
Кристаллическая структура орторомбического SnSe и GeSe.png
Имена
Другие имена
Селенид олова (II)
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ECHA InfoCard100.013.871 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-257-6
UNII
Характеристики
SnSe
Молярная масса197,67 г / моль
Внешностьстальной серый порошок без запаха
Плотность6,179 г / см3
Температура плавления 861 ° С (1582 ° F, 1134 К)
незначительный
Ширина запрещенной зоны0,9 эВ (непрямой), 1,3 эВ (прямой)[1]
Структура
Орторомбический, oP8[1]
ПНМА, № 62[1]
а = 4,4 Å, б = 4,2 Å, c = 11,5 Å[2]
Термохимия
-88,7 кДж / моль
Опасности
Паспорт безопасностиhttps://www.ltschem.com/msds/SnSe.pdf
Токсичный (Т)
Опасно для окружающей среды (N)
R-фразы (устарело)R23 / 25, R33, R50 / 53
S-фразы (устарело)(S1 / 2), S20 / 21, S28, S45, S60, S61
NFPA 704 (огненный алмаз)
Родственные соединения
Другой анионы
Оксид олова (II)
Сульфид олова (II)
Теллурид олова
Другой катионы
Моноселенид углерода
Моноселенид кремния
Селенид германия
Селенид свинца
Если не указано иное, данные для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверять (что проверитьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Селенид олова, также известный как селенид олова, представляет собой неорганическое соединение с формулой SnSe. Селенид олова (II) - типичный слоистый металл. халькогенид[3] так как он включает анион группы 16 (Se2−) и электроположительный элемент (Sn2+) и имеет слоистую структуру. Селенид олова (II) представляет собой узкую запрещенную зону (IV-VI). полупроводник структурно аналогичный к черный фосфор. Он вызвал значительный интерес для приложений, в том числе недорогих. фотогальваника, и устройства переключения памяти.

Из-за его низкого теплопроводность Помимо разумной электропроводности, селенид олова является одним из самых эффективных термоэлектрические материалы.[4][5]

Структура

Селенид олова (II) (SnSe) кристаллизуется в ромбический структура, происходящая из искаженной структуры каменной соли. Он изоморфен селенид германия (GeSe).[6] Элементарная ячейка состоит из двух инвертированных слоев. Каждый атом олова ковалентно связан с тремя соседними атомами селена, а каждый атом селена ковалентно связан с тремя соседними атомами олова.[7] Слои удерживаются вместе в основном за счет силы Ван дер Ваальса.[8] При температурах выше 800 К его структура меняется на структуру каменной соли.[4]

При давлениях выше 58 ГПа SnSe действует как сверхпроводник; это изменение проводимости, вероятно, связано с изменением структуры на структуру CsCl.[9]

Синтез

Селенид олова (II) может быть образован реакцией элементов банка и селен выше 350 ° C.[10]

При синтезе возникают проблемы с составом. Существуют две фазы - гексагональная SnSe.2 фаза и орторомбическая фаза SnSe. Можно синтезировать специфические наноструктуры,[11] но было изготовлено несколько 2D наноструктур. Изготовлены как квадратные наноструктуры SnSe, так и однослойные наноструктуры SnSe. Исторически сложилось так, что синтез двумерных наноструктур селенида олова с фазовым управлением является довольно сложной задачей.[3]

Пластинчатый нанокристаллический SnSe с орторомбической фазой был получен с хорошей чистотой и кристаллизацией посредством реакции между щелочным водным раствором селена и комплексом олова (II) при комнатной температуре и атмосферном давлении.[12] Нанокристаллы SnSe были также синтезированы реакцией газофазного лазерного фотолиза с использованием Sn (CH3)4 и Se (CH3)2 в качестве предшественников.[13]

Нанопроволоки SnSe толщиной в несколько атомов можно выращивать внутри узкой (диаметром ~ 1 нм) одностенной углеродные нанотрубки нагреванием нанотрубок с порошком SnSe в вакууме при 960 ° C. В отличие от объемного SnSe они имеют кубическую кристаллическую структуру.[1]

Химия

Селенид олова (II) принимает слоистую ромбическую кристаллическую структуру при комнатной температуре, которая может быть получена в результате трехмерного искажения структуры NaCl. Существуют пластины SnSe толщиной в два атома (вдоль плоскости b – c) с сильной связью Sn – Se в плоскости пластин, которые затем связаны более слабой связью Sn – Se вдоль направления a. Структура содержит сильно искаженный SnSe7 координационные полиэдры с тремя короткими и четырьмя очень длинными связями Sn – Se и неподеленной парой Sn2+ пространственно размещен между четырьмя длинными связями Sn – Se. Плиты SnSe толщиной два атома гофрированы, создавая зигзагообразный выступ, напоминающий гармошку, вдоль оси b. Легкий скол в этой системе происходит по плоскостям (100). При охлаждении из высокотемпературной фазы с более высокой симметрией (пространственная группа См, # 63) SnSe претерпевает фазовый переход смещения (сдвига) при ~ 750–800 K, что приводит к более низкой симметрии ПНМА (# 62) космическая группа.[14] Благодаря этой слоистой зигзагообразной гармошкой структуре SnSe демонстрирует низкий ангармонизм и по своей природе сверхнизкую решеточную теплопроводность, что делает SnSe одним из наименее теплопроводных кристаллических материалов в мире. Фундаментальный механизм низкой теплопроводности был разработан в этой «мягкой» аккордеоноподобной слоистой структуре и подтвержден из-за аномально сильной перенормировки фононов. [5]

Использование в сборе энергии

Селенид олова (II) вскоре может быть использован в сбор энергии. Селенид олова (II) продемонстрировал способность преобразовывать отходящее тепло в электрическую энергию. SnSe показал наивысшую эффективность термоэлектрического материала, измеренную безразмерным параметром ZT, из всех известных материалов (~ 2,62 при 923 К по оси b и ~ 2,3 по оси c). В сочетании с Эффективность Карно для преобразования тепла общая эффективность преобразования энергии составляет примерно 25%. Для того, чтобы этот термоэлектрический процесс работал, термоэлектрический генератор должен использовать разницу температур, испытываемую двумя ветвями спая термопары. Каждая ножка состоит из определенного материала, оптимизированного для интересующего диапазона рабочих температур. SnSe будет служить полупроводниковой ветвью p-типа. Такой материал должен иметь низкую общую теплопроводность, высокую электропроводность и высокую Коэффициент Зеебека по термоэлектрической добротности ZT. Несмотря на то, что рекордно высокая эффективность, скорее всего, обусловлена ​​низкой теплопроводностью кристалла, электронная структура может играть не менее важную роль: SnSe имеет сильно анизотропную структуру валентной зоны, которая состоит из множества долин, которые действуют как независимые каналы для очень подвижных, низкий перенос заряда эффективной массы внутри и проводимость тяжелых носителей перпендикулярно слоям.[15] Хотя исторически теллурид свинца и кремний-германий были использованы, эти материалы страдали от теплопроводности через материал.[16]

При комнатной температуре кристаллическая структура SnSe имеет вид ПНМА. Однако при ~ 750 К он претерпевает фазовый переход, приводящий к более высокой симметрии См структура. Этот фазовый переход сохраняет многие полезные транспортные свойства SnSe. Динамическое структурное поведение SnSe с участием обратимого фазового перехода помогает сохранить высокий коэффициент мощности. В См фаза, структурно связанная с низкой температурой ПНМА фаза, демонстрирует существенно уменьшенную энергетическую щель и повышенную подвижность носителей при сохранении сверхнизкой теплопроводности, что обеспечивает рекордное значение ZT. Из-за слоистой структуры SnSe, которая плохо проводит тепло, один конец монокристалла SnSe может нагреваться, а другой оставаться холодным. Эту идею можно сравнить с идеей постно-педического матраса, не передающего боковые колебания. В SnSe способность кристалла колебаться (также известная как фононы ) распространение через материал значительно затруднено. Это означает, что тепло может перемещаться только за счет горячих носителей (эффект, который можно приблизительно описать Закон Видемана – Франца ), механизм переноса тепла, который гораздо менее важен для общей теплопроводности. Таким образом, горячий конец может оставаться горячим, в то время как холодный конец остается холодным, поддерживая температурный градиент, необходимый для работы термоэлектрического устройства. Плохая способность переносить тепло через его решетку обеспечивает рекордно высокую эффективность термоэлектрического преобразования.[17] Ранее сообщалось, что наноструктурированный крупномасштабный иерархический PbTe-4SrTe-2Na (с ZT 2,2) имеет решеточную теплопроводность 0,5 Вт · м−1 K−1. Беспрецедентно высокое значение ZT ~ 2,6 SnSe обусловлено, прежде всего, еще более низкой теплопроводностью решетки - 0,23 Вт · м.−1 K−1.[14] Однако для того, чтобы воспользоваться преимуществом этой сверхнизкой решеточной теплопроводности, метод синтеза должен приводить к получению монокристаллов макромасштаба, поскольку было показано, что поликристаллический SnSe p-типа имеет значительно пониженное ZT.[18] Повышение добротности выше относительно высокого значения 2,5 может иметь широкие последствия для коммерческого применения, особенно для материалов, в которых используются менее дорогие, более распространенные на Земле элементы, не содержащие свинца и теллура (два материала, которые преобладали в термоэлектрических материалах. промышленность за последние пару десятилетий).

Другое использование

Селениды олова можно использовать для оптоэлектронный устройства, солнечные батареи, устройства переключения памяти,[6] и аноды для литий-ионные батареи.[3]

Селенид олова (II) дополнительно используется в качестве твердотельной смазки из-за характера его межслойного связывания.[19] Однако это не самый стабильный из твердотельных халькогенидных смазок, поскольку диселенид вольфрама имеет гораздо более слабую межплоскостную связь, химически инертен и обладает высокой стабильностью в условиях высоких температур и высокого вакуума.


Рекомендации

  1. ^ а б c d Картер, Робин; Суетин Михаил; Листер, Саманта; Дайсон, М. Адам; Трюитт, Харрисон; Гоэль, Санам; Лю, Чжэн; Суэнага, Кадзу; Джуска, Кристина; Каштибан, Реза Дж .; Hutchison, John L .; Доре, Джон С .; Белл, Гэвин Р .; Бичуцкая Елена; Слоан, Джереми (2014). «Расширение запрещенной зоны, изменение фазы при сдвиговом инверсии и низковольтные колебания кристалла в низкоразмерных кристаллах селенида олова». Дальтон Транс. 43 (20): 7391–9. Дои:10.1039 / C4DT00185K. PMID  24637546.
  2. ^ Перссон, Кристин (2014), Данные по материалам SnSe (SG: 62) по материалам проекта, Проект материалов LBNL; Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL), Беркли, Калифорния (США), Дои:10.17188/1284598, получено 2020-08-07
  3. ^ а б c Чжан, Чуньли; Инь, Хуаньхуань; Хан, Мин; Дай, Чжихуэй; Пан, Хуан; Чжэн, Юйлинь; Лань, Я-Цянь; Бао, Цзяньчунь; Чжу, Цзяньминь (2014). «Двумерные наноструктуры селенида олова для гибких твердотельных суперконденсаторов». САУ Нано. 8 (4): 3761–70. Дои:10.1021 / nn5004315. PMID  24601530.
  4. ^ а б Zhao, L.D .; Lo, S. H .; Zhang, Y; Вс, ч; Tan, G; Uher, C; Волвертон, К; Dravid, V.P .; Канатзидис, М. Г. (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая эффективность в Sn Se кристаллы ". Природа. 508 (7496): 373–7. Bibcode:2014Натура.508..373Z. Дои:10.1038 / природа13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
  5. ^ а б Kang, J .; Wu, H .; Li, M .; Ху, Ю. (2019). «Низкая собственная теплопроводность и перенормировка фононов из-за сильного ангармонизма монокристаллического селенида олова». Нано буквы. 19 (8): 4941–4948. Дои:10.1021 / acs.nanolett.9b01056. PMID  31265307.
  6. ^ а б Буджук, Филипп; Seidler, Dean J .; Гриер, декан; Маккарти, Грегори Дж. (1996). "Бензилзамещенные халькогениды олова. Эффективные предшественники из одного источника сульфида олова, селенида олова и Sn (SИксSe1-х) Твердые растворы ». Химия материалов. 8 (6): 1189. Дои:10,1021 / см 9504347.
  7. ^ Видемайер, Гериберт; фон Шнеринг, Ханс Георг (1978). «Уточнение структур GeS, Ge Se, SnS и Sn Se". Zeitschrift für Kristallographie. 148 (3–4): 295. Bibcode:1978ZK .... 148..295Вт. Дои:10.1524 / zkri.1978.148.3-4.295.
  8. ^ Taniguchi, M .; Johnson, R.L .; Ghijsen, J .; Кардона, М. (1990). «Сердцевинные экситоны и структуры зоны проводимости в ромбическом GeS, Ge Se, SnS и Sn Se монокристаллы " (PDF). Физический обзор B. 42 (6): 3634–3643. Bibcode:1990ПхРвБ..42.3634Т. Дои:10.1103 / PhysRevB.42.3634. PMID  9995878.
  9. ^ Тимофеев, Ю. А .; Виноградов, Б. В .; Бегулев В.Б. (1997). «Сверхпроводимость селенида олова при давлениях до 70 ГПа». Физика твердого тела. 39 (2): 207. Bibcode:1997ФСС ... 39..207Т. Дои:10.1134/1.1130136. S2CID  120770417.
  10. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press. п. 453. ISBN  978-0-08-022057-4.
  11. ^ Лю, Шухао; Солнце, Найкун; Лю, Мэй; Sucharitakul, Сукрит; Гао, Сюань (20 марта 2018 г.). «Наноструктурированный SnSe: синтез, легирование и термоэлектрические свойства». Журнал прикладной физики. Американский институт физики. 123 (11): 115109. Bibcode:2018JAP ... 123k5109L. Дои:10.1063/1.5018860.
  12. ^ Чжан, Вэйсинь; Ян, Зэхэн; Лю, Ювэнь; Чжан, Лэй; Хуэй, Цзехуа; Ю, Вэйчао; Цянь, Итай; Чен, Линь; Лю, Сяньминь (2000). «Рост при комнатной температуре нанокристаллического селенида олова (II) из водного раствора». Журнал роста кристаллов. 217 (1–2): 157–160. Bibcode:2000JCrGr.217..157Z. Дои:10.1016 / S0022-0248 (00) 00462-0.
  13. ^ Им, Хён Сун; Лим, Молодой Рок; Чо, Ён Джэ; Пак, Чжонхи; Ча, Ын Хи; Кан, Хонг Сок (2014). «Нанокристаллы селенида германия и олова для литий-ионных батарей большой емкости: сравнительное фазовое преобразование германия и олова». Журнал физической химии C. 118 (38): 21884. Дои:10.1021 / jp507337c.
  14. ^ а б Zhao, L.D .; Lo, S. H .; Zhang, Y; Вс, ч; Tan, G; Uher, C; Волвертон, К; Dravid, V.P .; Канатзидис, М. Г. (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая эффективность в Sn Se кристаллы ". Природа. 508 (7496): 373–7. Bibcode:2014Натура.508..373Z. Дои:10.1038 / природа13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
  15. ^ Плетикосич, Иво; von Rohr, Fabian S .; Перван, Петар; Das, Pranab K .; Кава, Роберт (2018). «Зонная структура аналога черного фосфора IV-VI - термоэлектрика SnSe». Письма с физическими проверками. 120 (15): 156403. arXiv:1707.04289. Дои:10.1103 / PhysRevLett.120.156403. PMID  29756873. S2CID  21734023.
  16. ^ Снайдер, Дж. Джеффри; Тоберер, Эрик С. (2008). «Сложные термоэлектрические материалы». Материалы Природы. 7 (2): 105–14. Bibcode:2008НатМа ... 7..105С. Дои:10.1038 / nmat2090. PMID  18219332.
  17. ^ Исследователи считают, что селенид олова обещает эффективное преобразование отработанного тепла в электрическую энергию.. Phys.org (17 апреля 2014 г.)
  18. ^ Чен, Ченг-Лунг; Ван, Хэн; Чен Ян-Юань; День, Тристан; Снайдер, Дж. Джеффри (2014). «Термоэлектрические свойства поликристаллического Sn p-типа. Se легированный Ag » (PDF). Журнал химии материалов A. 2 (29): 11171. Дои:10.1039 / C4TA01643B.
  19. ^ Эрдемир, Али (2008). «Кристаллохимия и твердые смазочные свойства монохалькогенидов селенида галлия и селенида олова». Трибологические операции. 37 (3): 471–478. Дои:10.1080/10402009408983319.