Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қалайта селенид, сондай-ақ станоздық селенид деп аталады, SnSe формуласы бар органикалық емес қосылыс. Тен ((II) селенид - 16 топтағы анионды (Se2−) және электропозитивті элементті (Sn2+) қамтитын және қабатты құрылымда орналасқан типтік қабатты металл халкогениді. Тен ((II) селенид - тар жолақты (IV VI) жартылай өткізгіш, құрылымы жағынан қара фосфорға ұқсас. Бұл технологияға көп қызығушылық танытуда, оның ішінде арзан фотоэлектрлік және жадының ауысу құрылғылары. Оның төмен жылу өткізгіштігі мен электр өткізгіштігі болғандықтан, қалайы селенид ең тиімді термоэлектрлік материалдардың бірі болып табылады.
Tin selenide, also known as stannous selenide, is an inorganic compound with the formula SnSe. Tin(II) selenide is a typical layered metal chalcogenide as it includes a group 16 anion (Se2−) and an electropositive element (Sn2+), and is arranged in a layered structure. Tin(II) selenide is a narrow band gap (IV VI) semiconductor structurally analogous to black phosphorus. It has received considerable interest for applications including low cost photovoltaics, and memory switching devices. Because of its low thermal conductivity as well as reasonable electrical conductivity, tin selenide is one of the most efficient thermoelectric materials.
Құрылымы
Тен ((II) селенид (SnSe) бұрмаланған тау тұзы құрылымынан пайда болған орторомбтық құрылымда кристалданады. Ол германий селениді (GeSe) -ге изоморфты. Бөлшек жасуша екі кері қабатты қамтиды. Әрбір қалайы атомы ковалентті түрде көршілес үш селен атомына, ал әрбір селен атомы ковалентті түрде көршілес үш қалайы атомына байланысады. Қабаттарды негізінен ван дер Ваальс күштері біріктіреді. 800 К жоғары температурада оның құрылымы тау тұзы құрылымына ауысады. Соңғы жылдары SnSe-нің жаңа полиморфтары бар екені айқын болды. 198) және γ SnSe (ғарыштық топ: Pnma, No. 62)
Tin(II) selenide (SnSe) crystallizes in the orthorhombic structure that derives from a distorted rock salt structure. It is isomorphous to germanium selenide (GeSe). The unit cell encompasses two inverted layers. Each tin atom is covalently bonded to three neighboring selenium atoms, and each selenium atom is covalently bonded to three neighboring tin atoms. The layers are held together primarily by van der Waals forces. At temperatures above 800 K its structure changes to rock salt structure. In recent years, it has become evident that new polymorphs of SnSe exists based upon the cubic and orthorhombic crystal systems, known as π SnSe (space group: P213, No. 198) and γ SnSe (space group: Pnma, No. 62)
Синтез
Тен ((II) селенидті қалайы мен селен элементтерінің 350 °C жоғары температурада реакция жасауы арқылы жасауға болады. Синтез кезінде құрамына қатысты проблемалар туындайды. Екі фаза бар: алты бұрышты SnSe2 фазасы және орторомбтық SnSe фазасы. Наноқұрылымның арнайы түрлерін синтездеуге болады, бірақ 2D наноқұрылымның аз бөлігі дайындалған. Квадратты SnSe наноқұрылыстары мен бір қабатты SnSe наноқұрылыстары дайындалды. Тарихи тұрғыдан алғанда, 2D қалайы селенид наноқұрылыстарын фазалық бақылаумен синтездеу өте қиын. Бірнеше атомдық қалыңдығы бар SnSe наножиіндерін тар (диаметрі ~ 1 нм) бір қабырғалы көміртек нанотүтіктерінің ішінде, нанотүтіктерді вакуумда 960 °C температурада SnSe ұнтағымен қыздыру арқылы өсіруге болады. Үлкен SnSe-ден айырмашылығы, олардың кристалл құрылымы кубтық.
Tin(II) selenide can be formed by reacting the elements tin and selenium above 350 °C. Problems with the composition are encountered during synthesis. Two phases exist—the hexagonal SnSe2 phase and the orthorhombic SnSe phase. Specific nanostructures can be synthesized, but few 2D nanostructures have been prepared. Both square SnSe nanostructures and single layer SnSe nanostructures have been prepared. Historically, phase controlled synthesis of 2D tin selenide nanostructures is quite difficult. A few atom thick SnSe nanowires can be grown inside narrow (~1 nm diameter) single wall carbon nanotubes by heating the nanotubes with SnSe powder in vacuum at 960 °C. Contrary to the bulk SnSe, they have the cubic crystal structure.
Химия
Қалай ((II) селенид бөлме температурасында қабатты орторомбтық кристалдық құрылымды қабылдайды, оны NaCl құрылымының үш өлшемді бұрмалануынан алуға болады. Слайдтың жазықтығында екі атомдық қалыңдығы бар SnSe плиталары (bc жазықтығында) бар, олар а бағыты бойынша әлсіз SnSe байланысымен байланысты. Құрылымында үш қысқа және төрт өте ұзақ SnSe байланыстары бар және төрт ұзын SnSe байланыстарының арасында стерильді түрде орналастырылған Sn2+ жұптары бар жоғары бұрмаланған SnSe7 координациялық полиэдрлері бар. Екі атомдық қалыңдығы бар SnSe плиталары ағымды, b осі бойымен зигзаг аккордеон тәрізді проекция жасайды. Бұл жүйедегі оңай оқшаулау (100) жазықтықта. Жоғары температурадан, жоғары симметриялы фазадан (ғарыш тобы Cmcm, # 63) суытылған кезде SnSe ~ 750 800 K-те ығыстырмалы (шығылмалы) фазалық ауысудан өтеді, нәтижесінде төменгі симметриялы Pnma (# 62) ғарыш тобы пайда болады. SnSe белгілі материалдардың ішіндегі ең жоғары термоэлектрлік тиімділікті көрсетті (b осі бойымен 923 К-те ~2.62 және c осі бойымен ~2.3). Жылуды түрлендірудің Карно тиімділігімен біріктіргенде, энергияны түрлендірудің жалпы тиімділігі шамамен 25% құрайды. Бұл термоэлектрлік процесс жұмыс істеуі үшін термоэлектрлік генератор термоэлектрлік буынның екі аяғының температура айырмашылығынан пайда алуы керек. Әрбір аяқ белгілі бір материалдан құралған, ол жұмыс температурасының қызығушылық диапазонында оңтайландырылған. SnSe p типті жартылай өткізгіш аяғы ретінде қызмет етеді. Мұндай материалдың жалпы жылу өткізгіштігі төмен, электр өткізгіштігі жоғары және сапасының термоэлектрлік көрсеткіші ZT сәйкес жоғары Seebeck коэффициенті болуы қажет. Рекордтық жоғары тиімділік кристаллдың төмен жылу өткізгіштігіне байланысты болса да, электрондық құрылым маңызды рөл атқара алады: SnSe өте анизотроптық валенттік жолақты құрылымына ие, ол өте жылжымалы, тиімді массалық зарядтың төмен тасымалы үшін тәуелсіз арналар ретінде әрекет ететін бірнеше аңғарлардан тұрады. және қабаттарға перпендикуляр ауыр тасымалдаушы өткізгіштігі. Тарихи түрде қорғасын теллурид пен кремний германий қолданылған, бірақ бұл материалдар материал арқылы жылу өткізгіштігінен зардап шекті. Бөлме температурасында СnSe кристалдық құрылымы Pnma. Алайда, ~750 К-те, ол фазалық ауысудан өтеді, нәтижесінде жоғары симметриялы Cmcm құрылымы пайда болады. Бұл фазалық ауысу SnSe-нің көптеген тиімді тасымалдау қасиеттерін сақтайды. SnSe-нің кері өтетін фазалық ауысуды қамтитын динамикалық құрылымдық мінез-құлқы жоғары қуат факторын сақтауға көмектеседі. Төмен температурадағы Pnma фазасымен құрылымдық жағынан байланысты Cmcm фазасы энергияның айтарлықтай төмендеуін және тасымалдаушы мобильділіктерін арттырады, сонымен бірге өте төмен жылу өткізгіштігін сақтайды, осылайша рекордтық ZT береді. SnSe-нің қабатты құрылымы жылуды жақсы өткізбейтіндіктен, SnSe-нің бір кристаллының бір шетінде ыстық болады, ал екіншісінде салқын болады. Бұл идеяны тербелістерді бүйірінен өткізбейтін ұстанымдық педик матрас идеясымен салыстыруға болады. SnSe-де кристалл тербелістерінің (фонондар деп те аталады) материал арқылы таралу қабілеті едәуір кедергі келтіреді. Бұл жылу тек ыстық тасымалдаушылар арқылы ғана (Wiedemann-Franz заңымен шамалана алатын әсер) тасымалдана алады дегенді білдіреді, бұл жылу тасымалдау механизмі жалпы жылу өткізгіштігі үшін әлдеқайда маңызды емес. Осылайша ыстық ұшы ыстық, ал суық ұшы суық болып қала алады, бұл термоэлектр құрылғысының жұмыс істеуі үшін қажетті температуралық градиентті сақтайды. Оның жылуды өткізбейтін қабілеті төмен, нәтижесінде жоғары термоэлектрлік конверсия тиімділігі пайда болады. Бұрынғы хабарланған барлық масштабтағы иерархиялық PbTe 4SrTe 2Na (ZT 2,2) наноқұрылымы 0,5 W m-1 K-1 торлы жылу өткізгіштігін көрсетеді. SnSe-нің бұрын-соңды болмаған жоғары ZT ~ 2.6 негізінен 0,23 W m-1 K-1 -дің одан да төмен торлы жылу өткізгіштігінен туындайды. Алайда, осы өте төмен торлы жылу өткізгіштігін пайдалану үшін синтез әдісі макромасштабты бір кристаллдарға әкелуі керек, өйткені p типті поликристалликалық SnSe-нің ZT-і едәуір төмендеуі дәлелденген. Салыстырмалы түрде жоғары 2,5 мәнінен жоғары құнның өсуі коммерциялық қолдану үшін, әсіресе, арзан, көбірек жерде көп кездесетін, қорғасын мен теллурдан (соңғы он жыл ішінде термоэлектрлік материалдар индустриясында кең таралған екі материал) бос элементтерді пайдаланатын материалдар үшін үлкен әсері болуы мүмкін.
Tin(II) selenide adopts a layered orthorhombic crystal structure at room temperature, which can be derived from a three dimensional distortion of the NaCl structure. There are two atom thick SnSe slabs (along the b–c plane) with strong Sn–Se bonding within the plane of the slabs, which are then linked with weaker Sn–Se bonding along the a direction. The structure contains highly distorted SnSe7 coordination polyhedra, which have three short and four very long Sn–Se bonds, and a lone pair of the Sn2+ sterically accommodated between the four long Sn–Se bonds. The two atom thick SnSe slabs are corrugated, creating a zig zag accordion like projection along the b axis. The easy cleavage in this system is along the (100) planes. While cooling from its high temperature, higher symmetry phase (space group Cmcm, #63), SnSe undergoes a displacive (shear) phase transition at ~750–800 K, resulting in a lower symmetry Pnma (#62) space group. SnSe has exhibited the highest thermoelectric material efficiency, measured by the unitless ZT parameter, of any known material (~2.62 at 923 K along the b axis and ~2.3 along the c axis). When coupled with the Carnot efficiency for heat conversion, the overall energy conversion efficiency of approximately 25%. In order for this thermoelectric process to work, a thermoelectric generator must take advantage of the temperature difference experienced by two legs of a thermocouple junction. Each leg is composed of a specific material that is optimized at the operating temperature range of interest. SnSe would serve as the p type semiconductor leg. Such a material needs to have low total thermal conductivity, high electrical conductivity, and high Seebeck coefficient according to the thermoelectric figure of merit ZT. Even though the record high efficiency is most likely due to low thermal conductivity of the crystal, the electronic structure may have as important role: SnSe has highly anisotropic valence band structure, which consists of multiple valleys that act as independent channels for very mobile, low effective mass charge transport within, and heavy carrier conductivity perpendicular to the layers. While, historically, lead telluride and silicon germanium have been used, these materials have suffered from heat conduction through the material. At room temperature, the crystal structure of SnSe is Pnma. However, at ~750 K, it undergoes a phase transition that results in a higher symmetry Cmcm structure. This phase transition preserves many of the advantageous transport properties of SnSe. The dynamic structural behavior of SnSe involving the reversible phase transition helps to preserve the high power factor. The Cmcm phase, which is structurally related to the low temperature Pnma phase, exhibits a substantially reduced energy gap and enhanced carrier mobilities while maintaining the ultralow thermal conductivity thus yielding the record ZT. Because of SnSe's layered structure, which does not conduct heat well, one end of the SnSe single crystal can get hot while the other remains cool. This idea can be paralleled with the idea of a posture pedic mattress that does not transfer vibrations laterally. In SnSe, the ability of crystal vibrations (also known as phonons) to propagate through the material is significantly hampered. This means heat can only travel due to hot carriers (an effect that can be approximated by the Wiedemann–Franz law), a heat transport mechanism that is much less significant to the total thermal conductivity. Thus the hot end can stay hot while the cold end remains cold, maintaining the temperature gradient needed for thermoelectric device operation. The poor ability to carry heat through its lattice enables the resulting record high thermoelectric conversion efficiency. The previously reported nanostructured all scale hierarchical PbTe 4SrTe 2Na (with a ZT of 2.2) exhibits a lattice thermal conductivity of 0.5 W m−1 K−1. The unprecedentedly high ZT ~2.6 of SnSe arises primarily from an even lower lattice thermal conductivity of 0.23 W m−1 K−1. However, in order to take advantage of this ultralow lattice thermal conductivity, the synthesis method must result in macroscale single crystals as p type polycrystalline SnSe has been shown to have a significantly reduced ZT. Enhancement in the figure of merit above a relatively high value of 2.5 can have sweeping ramifications for commercial applications especially for materials using less expensive, more Earth abundant elements that are devoid of lead and tellurium (two materials that have been prevalent in the thermoelectric materials industry for the past couple decades).
Басқа қолданыстар
Қалайта селенидтер оптоэлектрондық құрылғылар, күн элементтері, жадының ауысу құрылғыларында пайдаланылуы мүмкін. Алайда, ол қалтқогенді қатты күйдегі майлау материалдарының ең тұрақтысы емес, өйткені вольфрам диселенидінің планетааралық байланысы әлдеқайда әлсіз, химиялық инертті және жоғары температурада, жоғары вакуумды ортада жоғары тұрақтылық бар.
Tin selenides may be used for optoelectronic devices, solar cells, memory switching devices, However, it is not the most stable of the chalcogenide solid state lubricants, as tungsten diselenide has much weaker interplanar bonding, is highly chemically inert and has high stability in high temperature, high vacuum environments.