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.

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)

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.

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.

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.