Введение

Селенид олова, также известный как селенид станозный, является неорганическим соединением с формулой SnSe. Стено- (II) селенид является типичным слоевым металлом-халькогенидом, поскольку он включает в себя анион группы 16 (Se2−) и электроположительный элемент (Sn2+), и расположен в слоевой структуре. Стено ((II) селенид является узкодиапазонным (IV VI) полупроводником, структурно аналогичным черному фосфору. Он получил значительный интерес для применения, включая недорогие фотоэлектрические и устройства коммутации памяти. Из-за своей низкой теплопроводности, а также разумной электрической проводимости, селенид оловянного металла является одним из самых эффективных термоэлектрических материалов.

Структура

Стан ((II) селенид (SnSe) кристаллизуется в орторомбической структуре, которая происходит от искаженной структуры горной соли. Изоморфен с селенидом германия (GeSe). Единица клеток включает в себя два перевернутых слоя. Каждый атом олова ковалентно связан с тремя соседними атомами селена, а каждый атом селена ковалентно связан с тремя соседними атомами олова. Слои держатся вместе в основном силами ван-дер-Ваальса. При температуре выше 800 К его структура изменяется в структуру каменной соли. В последние годы стало очевидным, что существуют новые полиморфы SnSe, основанные на кубической и орторхомбической кристаллических системах, известных как π SnSe (пространственная группа: P213, No. 198) и γ SnSe (космическая группа: Pnma, No. 62)

Синтез

Стено ((II) селенид может быть получен в результате реакции элементов олова и селена при температуре выше 350 °C. Проблемы с составом встречаются во время синтеза. Существует две фазы - шестиугольная фаза SnSe2 и орторомбическая фаза SnSe. Можно синтезировать конкретные наноструктуры, но было подготовлено лишь несколько 2D наноструктур. Были подготовлены как квадратные, так и однослойные наноструктуры SnSe. Исторически, фазовой синтез 2-D наноструктур селенида олова довольно сложен. Несколько нанопроводов SnSe толщиной в несколько атомов могут быть выращены внутри узких (~ 1 нм в диаметре) одностенных углеродных нанотрубок путем нагрева нанотрубок порошком SnSe в вакууме при 960 °C. В отличие от массовых SnSe, они имеют кубическую кристаллическую структуру.

Химия

Стено ((II) селенид при комнатной температуре имеет слоистую орторомбическую кристаллическую структуру, которая может быть получена из трехмерного искажения структуры NaCl. Существуют две атомные плитки SnSe (вдоль плоскости bc) с сильной связью SnSe в плоскости плит, которые затем связаны с более слабой связью SnSe вдоль направления a. Структура содержит высоко искаженные координационные полиэдры SnSe7, которые имеют три коротких и четыре очень длинных SnSe связи, и одиночную пару Sn2+ стерильно размещенных между четырьмя длинными SnSe связями. Две атомные толщины плит SnSe гофрированы, создавая зигзаг аккордеон, как проекция вдоль оси b. Легкий расщепление в этой системе вдоль (100) плоскостей. При охлаждении от своей высокой температуры, более высокой фазы симметрии (пространственная группа Cmcm, #63), SnSe подвергается смещающему (порежущему) фазовому переходу при ~750800 К, в результате чего получается более низкая симметрия Pnma (#62) космическая группа. SnSe показала наибольшую эффективность термоэлектрического материала, измеренную безединым параметром ZT, из всех известных материалов (~2,62 при 923 К по оси b и ~2,3 по оси c). В сочетании с эффективностью Карно для преобразования тепла общая эффективность преобразования энергии составляет приблизительно 25%. Для того, чтобы этот термоэлектрический процесс работал, термоэлектрический генератор должен использовать преимущества разницы температур, испытываемой двумя ногами термопарового соединения. Каждая ножка состоит из специфического материала, который оптимизирован для интересующего диапазона рабочей температуры. SnSe будет служить ножкой полупроводника типа p. Такой материал должен иметь низкую общую теплопроводность, высокую электрическую проводимость и высокий коэффициент Зибека в соответствии с термоэлектрической фигурой достоинства ZT. Несмотря на то, что рекордно высокая эффективность, скорее всего, обусловлена низкой теплопроводностью кристалла, электронная структура может играть столь же важную роль: SnSe имеет высокоанизотропную структуру валентной полосы, которая состоит из нескольких долин, которые действуют как независимые каналы для очень подвижного, низкого эффективного транспорта массового заряда внутри, и тяжелой несущей проводимости перпендикулярно слоям. Хотя исторически использовались телурид свинца и кремний германий, эти материалы страдали от теплопроводности через материал. Кристаллическая структура SnSe при комнатной температуре Pnma. Однако при ~750 К он претерпевает фазовый переход, в результате которого получается более высокая симметрия структуры Cmcm. Этот фазовый переход сохраняет многие из выгодных транспортных свойств SnSe. Динамическое структурное поведение SnSe, включающее обратимый фазовый переход, помогает сохранить высокий коэффициент мощности. Фаза Cmcm, которая структурно связана с фазой Pnma при низкой температуре, демонстрирует значительно уменьшенный разрыв энергии и повышенную подвижность носителей при сохранении сверхнизкой теплопроводности, что дает рекордный ZT. Из-за слойной структуры SnSe, которая плохо проводит тепло, один конец однокристалла SnSe может стать горячим, а другой остается холодным. Эта идея может быть приравнена к идее о постельном педик-матресе, который не передает вибрации боковым образом. В SnSe способность кристаллических вибраций (также известных как фононы) распространяться через материал значительно затруднена. Это означает, что тепло может распространяться только благодаря горячим носителям (эффект, который может быть приближен законом Видемана-Франца), механизму теплового транспорта, который гораздо менее важен для общей теплопроводности. Таким образом, горячий конец может оставаться горячим, а холодный конец остается холодным, сохраняя градиент температуры, необходимый для работы термоэлектрического устройства. Слабая способность переносить тепло через решетку позволяет достичь рекордно высокой эффективности термоэлектрического преобразования. Ранее сообщалось, что наноструктурированный иерархический PbTe 4SrTe 2Na (с ZT 2,2) имеет решетчатую теплопроводность 0,5 W m-1 K-1. Беспрецедентно высокий ZT ~ 2.6 SnSe возникает в основном из-за еще более низкой теплопроводности решетки 0,23 W m-1 K-1. Однако, чтобы воспользоваться этой ультранизкой теплопроводностью решетки, метод синтеза должен привести к макромасштабным однокристаллам, поскольку было показано, что поликристаллический SnSe типа p имеет значительно сниж�...

Другие применения

Селениды олова могут использоваться для оптоэлектронных устройств, солнечных элементов, устройств переключения памяти. Однако это не самый стабильный из известкогеновых твердотельных смазочных материалов, так как дизеленид вольфрама имеет гораздо более слабую межплановую связь, является высоко химически инертным и обладает высокой стабильностью при высокой температуре и высоком вакууме.