Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
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
  • InChI = 1S / Se.Sn
  • [Se] = [Sn]
Характеристики
SnSe
Молярная масса197,67 г / моль
Внешностьстальной серый порошок без запаха
Плотность6,179 г / см 3
Температура плавления 861 ° С (1582 ° F, 1134 К)
незначительный
Ширина запрещенной зоны0,9 эВ (непрямой), 1,3 эВ (прямой) [1]
Структура
Ромбическая , OP8 [1]
ПНМА, № 62 [1]
a  = 4,4 Å, b  = 4,2 Å, c  = 11,5 Å [2]
Термохимия
-88,7 кДж / моль
Опасности
Паспорт безопасностиhttps://www.ltschem.com/msds/SnSe.pdf
Токсично ( T )
Опасно для окружающей среды ( N )
R-фразы (устаревшие)R23 / 25 , R33 , R50 / 53
S-фразы (устарели)(S1 / 2) , S20 / 21 , S28 , S45 , S60 , S61
NFPA 704 (огненный алмаз)
2
1
1
Родственные соединения
Другие анионы
Оксид
олова (II) Сульфид олова (II)
Теллурид олова
Другие катионы
Моноселенид углерода Моноселенид
кремния Селенид
германия Селенид
свинца
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить  ( что есть   ?)проверитьY☒N
Ссылки на инфобоксы

Селенид олова , также известный как селенид олова, представляет собой неорганическое соединение с формулой Sn Se . Селенид олова (II) представляет собой типичный слоистый халькогенид металла [3], поскольку он включает анион группы 16 (Se 2– ) и электроположительный элемент (Sn 2+ ) и имеет слоистую структуру. Олова (II) , селенид узкой полосы зазор (IV-VI) полупроводник структурно аналогичен для черного фосфора . Он вызвал значительный интерес для приложений, включая недорогие фотоэлектрические устройства и устройства переключения памяти.

Благодаря своей низкой теплопроводности, а также разумной электропроводности селенид олова является одним из наиболее эффективных термоэлектрических материалов . [4] [5]

Структура [ править ]

Селенид олова (II) (SnSe) кристаллизуется в ромбической структуре, происходящей из искаженной структуры каменной соли. Он изоморфен селениду 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 первую очередь силами Ван-дер-Ваальса . [8] При температуре 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 по сравнению с CsCl . [9]

Синтез [ править ]

Селенид олова (II) может быть образован реакцией элементов олова и селена при температуре выше 350 ° C. [10]

При синтезе возникают проблемы с составом. Существуют две фазы - гексагональная фаза SnSe 2 и орторомбическая фаза SnSe. Конкретные наноструктуры могут быть синтезированы [11], но было подготовлено 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 с помощью реакции газофазного лазерного фотолиза, в которой в качестве прекурсоров использовались Sn (CH 3 ) 4 и Se (CH 3 ) 2 . [13]

Нанопроволоки SnSe толщиной в несколько атомов могут быть выращены внутри узких (диаметром ~ 1 нм) одностенных углеродных нанотрубок путем нагревания нанотрубок с порошком SnSe в вакууме при 960 ° C. В отличие от объемного SnSe они имеют кубическую кристаллическую структуру. [1]

Химия [ править ]

Селенид олова (II) принимает слоистую ромбическую кристаллическую структуру при комнатной температуре, которая может быть получена в результате трехмерного искажения структуры NaCl. Существуют плиты SnSe толщиной в два атома (вдоль плоскости b – c) с сильной связью Sn – Se в плоскости плит, которые затем соединяются более слабой связью Sn – Se вдоль направления a. В структуре присутствуют сильно искаженные координационные полиэдры SnSe 7 , содержащие три короткие и четыре очень длинные связи Sn – Se, а также неподеленную пару Sn 2+.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 своей высокотемпературной фазы с более высокой симметрией (пространственная группа Cmcm , # 63) SnSe претерпевает фазовый переход смещения (сдвига) при ~ 750–800 K, что приводит к более низкой симметрии пространственной группы Pnma (# 62). [14]Благодаря этой слоистой зигзагообразной гармошкой структуре SnSe демонстрирует низкий ангармонизм и 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 [ править ]

Селенид олова (II) вскоре может быть использован для сбора 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 эффективностью Карнодля 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 высокий 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 использовались теллурид свинца и кремний-германий , эти материалы страдали от теплопроводности через материал. [16]

При комнатной температуре кристаллическая структура SnSe представляет собой Pnma . Однако при ~ 750 К в нем происходит фазовый переход, который приводит к более симметричной структуре Cmcm . Этот фазовый переход сохраняет многие выгодные транспортные свойства SnSe. Динамическое структурное поведение SnSe с участием обратимого фазового перехода помогает сохранить высокий коэффициент мощности. CMCM фаза, которая конструктивно связана с низкой температурой Pnmaфаза, 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 колебаний кристаллов (также известных как фононы ) распространяться через материал значительно затруднена. Это означает, что тепло может перемещаться только за счет горячих носителей (эффект, который можно аппроксимировать законом 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) демонстрирует теплопроводность решетки 0,5 Вт · м -1 · К -1 . Беспрецедентно высокий ZT ~ 2,6 SnSe возникает в первую очередь из-за еще более низкой теплопроводности решетки, равной 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, использующих менее дорогие, более распространенные на Земле элементы, не содержащие свинца и теллура (два материала, которые преобладали в промышленность термоэлектрических материалов за последние пару десятилетий).

Другое использование [ править ]

Селениды олова могут быть использованы для оптоэлектронных устройств, солнечных элементов , устройств переключения памяти [6] и анодов для литий-ионных батарей . [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, очень химически инертен и имеет высокую стабильность в условиях высоких температур и высокого вакуума.


Ссылки [ править ]

  1. ^ a b 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 сдвига инверсии и низковольтные индуцированные колебания кристалла в низкоразмерных кристаллах селенида олова" . Dalton Trans . 43 (20): 7391–9. DOI : 10.1039 / C4DT00185K . PMID  24637546 .
  2. ^ Перссон, Кристин (2014), Материалы по SnSe (SG: 62) по материалам проекта , LBNL Materials Project; Национальная лаборатория Лоуренса Беркли (LBNL), Беркли, Калифорния (США), doi : 10,17188 / 1284598 , получено 07 августа 2020 г.
  3. ^ a b 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». ACS Nano . 8 (4): 3761–70. DOI : 10.1021 / nn5004315 . PMID 24601530 . 
  4. ^ а б Чжао, ЛД; Lo, SH; Zhang, Y; Вс, ч; Tan, G; Uher, C; Волвертон, К; Дравид, ВП; Канацидис, МГ (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая эффективность в кристаллах Sn- Se ». Природа . 508 (7496): 373–7. Bibcode : 2014Natur.508..373Z . DOI : 10,1038 / природа13184 . PMID 24740068 . S2CID 205238132 .  
  5. ^ а б Канг, Дж .; 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. DOI : 10.1021 / acs.nanolett.9b01056 . PMID 31265307 . 
  6. ^ a b Boudjouk, Филипп; Seidler, Dean J .; Гриер, декан; Маккарти, Грегори Дж. (1996). «Бензилзамещенные халькогениды олова. Эффективные предшественники из одного источника для твердых растворов сульфида олова, селенида олова и Sn (S x Se 1-x )». Химия материалов . 8 (6): 1189. DOI : 10.1021 / cm9504347 .
  7. ^ Wiedemeier, Heribert; фон Шнеринг, Ханс Георг (1978). «Уточнение структур GeS, Ge Se , SnS и Sn Se ». Zeitschrift für Kristallographie . 148 (3-4): 295. Bibcode : 1978ZK .... 148..295W . DOI : 10.1524 / zkri.1978.148.3-4.295 .
  8. ^ Танигучи, М .; Джонсон, Р.Л .; Ghijsen, J .; Кардона, М. (1990). "Экситоны ядра и структуры зоны проводимости в орторомбических монокристаллах GeS, Ge Se , SnS и Sn Se " (PDF) . Physical Review B . 42 (6): 3634–3643. Bibcode : 1990PhRvB..42.3634T . DOI : 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 : 1997PhSS ... 39..207T . DOI : 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 . DOI : 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 . DOI : 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. DOI : 10.1021 / jp507337c .
  14. ^ а б Чжао, ЛД; Lo, SH; Zhang, Y; Вс, ч; Tan, G; Uher, C; Волвертон, К; Дравид, ВП; Канацидис, МГ (2014). «Сверхнизкая теплопроводность и высокая термоэлектрическая эффективность в кристаллах Sn- Se ». Природа . 508 (7496): 373–7. Bibcode : 2014Natur.508..373Z . DOI : 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 физическим обзором . 120 (15): 156403. arXiv : 1707.04289 . DOI : 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 : 2008NatMa ... 7..105S . DOI : 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 Se p-типа, легированного Ag» (PDF) . Журнал Материалы ХИМИИ . 2 (29): 11171. DOI : 10.1039 / C4TA01643B .
  19. ^ Эрдемир Али (2008). «Кристаллохимия и твердые смазочные свойства монохалькогенидов селенида галлия и селенида олова» . Трибологические труды . 37 (3): 471–478. DOI : 10.1080 / 10402009408983319 .