Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
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.
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.
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)
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
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.
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
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�...
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).
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.
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.