Tantaldiselenid
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC namn
Tantaldiselenid
|
|
| Andra namn Tantal(IV)diselenid Tantalselenid |
|
| Identifierare | |
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard | 100.031.713 |
| EG-nummer |
|
|
PubChem CID
|
|
|
CompTox Dashboard ( EPA )
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
|
TaSe 2 |
|
| Molar massa | 338,87 g/mol |
| Utseende | Silveraktig/guldaktig solid |
| Strukturera | |
|
a = 0,343 nm (2H), 0,348 nm (1T), c = 1,27 nm (2H), 0,627 nm (1T)
|
|
| Besläktade föreningar | |
|
Andra anjoner
|
Tantalditellurid Tantaldisulfid |
|
Andra katjoner
|
Molybdendiselenid Niobiumdiselenid Volframdiselenid |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Tantaldiselenid är en förening gjord med tantal- och selenatomer , med kemisk formel TaSe 2 , som tillhör familjen av övergångsmetalldikalkogenider . Till skillnad från molybdendisulfid (MoS 2 ) eller rheniumdisulfid (ReS 2 , förekommer inte tantaldiselenid spontant i naturen, men det kan syntetiseras. Beroende på tillväxtparametrarna kan olika typer av kristallstrukturer stabiliseras.
Under 2010-talet har intresset för denna förening ökat på grund av dess förmåga att visa en laddningsdensitetsvåg (CDW) , som beror på kristallstrukturen, upp till 600 K, medan andra övergångsmetalldikalkogenider normalt behöver kylas ner till hundratals kelvin grader, eller till och med under, för att observera samma förmåga.
Strukturera
Som andra TMDs är TaSe 2 en skiktad förening, med ett centralt tantal hexagonalt gitter inklämt mellan två skikt av selenatomer, fortfarande med en hexagonal struktur. Annat med avseende på andra 2D-material såsom grafen , som är atomärt tunt, är TMD:er sammansatta av treskikt av atomer som är starkt bundna till varandra, staplade ovanför andra trilager och hålls samman genom Van Der Waals krafter. TMD:er kan lätt exfolieras.
De mest studerade kristallstrukturerna av TaSe 2 är 1T- och 2H-faserna som har åttaedriska respektive trigonala prismatiska symmetrier. Det är emellertid också möjligt att syntetisera 3R-fasen eller 1H-fasen.
1T fas
I 1T-fasen visar selenatomer en oktaedrisk symmetri och den relativa orienteringen av selenatomerna i det översta och nedersta lagret är motsatt. På en makroskopisk skala visar provet en guldfärg. Gitterparametrarna är a = b = 3,48 Å, medan c = 0,627 nm. Beroende på temperaturen visar den olika typer av laddningsdensitetsvågor (CDW): en inkommensurerad CDW (ICDW) mellan 600 K och 473 K och en motsvarande CDW (CCDW) under 473 K,. I den motsvarande CDW visar det resulterande supergittret en rekonstruktion ofta adresserad som Davidsstjärna (SOD), med avseende på gitterparametern (a = b) av icke förvrängd TaSe 2 (över 600 K). Filmtjockleken kan också påverka CDW-övergångstemperaturen: ju tunnare filmen är, desto lägre är övergångstemperaturen från ICDW till CCDW.
I 1T-fasen staplas de enkla treskikten alltid i samma geometri, som visas i motsvarande bild.
2H fas
2H-fasen är baserad på en konfiguration av selenatomer som kännetecknas av en trigonal prismatisk symmetri och en lika relativ orientering i de översta och nedersta lagren. Gitterparametrarna är a = b = 3,43 Å, medan c = 1,27 nm. Beroende på temperaturen visar den olika typer av laddningstäthetsvågor: en inkommensurerad CDW (ICDW) mellan 122 K och 90 K och en motsvarande CDW (CCDW) under 90 K. Gitterförvrängningen under 90 K ger upphov till en CCDW som gör en 3 × 3 rekonstruktion med avseende på den icke-förvrängda gitterparametern (a = b) av 2H TaSe2 (över 122 K).
I 2H-fasen staplas de enkla treskikten en motsats till andra, som visas i den relativa bilden. Genom molekylär strålepitaxi är det möjligt att odla ett enda trilager av 2H TaSe 2 , även känd som 1H-fas. I grund och botten kan 2H-fasen ses som staplingen av 1H-fasen med motsatt relativ orientering i förhållande till varandra.
I 1H-fasen höjs ICDW-övergångstemperaturen till 130 K.
Egenskaper
Elektrisk och magnetisk
TaSe 2 uppvisar olika egenskaper beroende på polytypen (2H eller 1T), även om den kemiska sammansättningen förblir oförändrad.
1T fas
Resistiviteten vid låg temperatur liknar den för en metall, men den börjar minska vid högre temperaturer. En topp uppvisas vid ungefär 473 K, vilket liknar beteendet hos halvledare. 1T-fasen har nästan två storleksordningar högre resistivitet än mot 2H-fasen.
Den magnetiska känsligheten för 1T-faserna har inga toppar vid låg temperatur och förblir alltid nästan konstant tills 473 K temperatur uppnås (ICDW-temperaturövergång), då den hoppar till något högre värden. 1T-fasen är diamagnetisk.
2H-fas
Resistiviteten beror linjärt på temperaturen när den senare överstiger 110 K. Däremot visar den under denna tröskel ett icke-linjärt beteende. Denna plötsliga variation av R(T) vid 110 K kan vara relaterad till bildandet av vissa typer av magnetisk ordning i TaSe 2 : ordnade spinn sprider elektroner på ett mindre effektivt sätt. Detta ökar elektronernas rörlighet och ger ett snabbare fall i resistivitet än det som idealiskt motsvarar en linjär trend.
Den magnetiska känsligheten för 2H-polytypen beror något på temperaturen och topparna i intervallet 110-120 K. Trenden är linjärt stigande eller fallande under respektive över 110 K. Detta maximum i 2H-faserna är relaterat till bildandet av CCDW vid 120 K. 2H-fasen är Pauli-paramagnetisk .
Hall-koefficienten är nästan oberoende av temperaturen över 120 K, en tröskel under vilken den istället börjar sjunka för att slutligen nå ett värde på noll vid 90 K. I intervallet som ingår mellan 4 och 90 K, koefficienten är negativ, dess minimum upplevs vid ungefär 35 K.
Elektronisk
1T fas
Bulk 1T TaSe 2 är metallisk, medan enkla monolager (trelager Se-Ta-Se i oktaedrisk symmetri) observeras vara isolerande med ett bandgap på 0,2 eV, i motsats till teoretisk beräkning som förväntas vara metallisk som bulk.
2H-fas
Bulk 2H TaSe 2 är metallisk och så det enda monoskiktet (trelager Se-Ta-Se i trigonal prismatisk symmetri), som också är känd som 1H-fasen.
Optisk
Att undersöka det icke-linjära brytningsindexet för tantaldiselenid kan fortsätta att förbereda atomärt tunna flingor av TaSe 2 med vätskefasexfolieringsmetoden . Eftersom denna teknik kräver användning av alkohol , kan brytningsindexet för tantaldiselenid hämtas genom Kerrs lag:
0 där n =1,37 representerar det linjära brytningsindexet för etanol, är det icke-linjära brytningsindexet för TaSe 2 och är den infallande intensiteten för laserstrålen. Genom att använda olika ljusvåglängder , särskilt λ=532 nm och λ=671 nm, är det möjligt att mäta både och , tredje ordningens olinjära känslighet .
Båda dessa kvantiteter beror på eftersom ju högre intensitet lasern har, desto högre värms proverna upp, vilket resulterar i en variation av brytningsindex.
För nm, och
För nm, och
Superledningsförmåga
Bulk 2H TaSe 2 har visat sig vara supraledande under en temperatur på 0,14 K. Det enkla monoskiktet (1H-fasen) kan dock associeras med en kritisk temperatur ökad med ett steg som kan sträcka sig upp till 1 K.
Trots att 1T-fasen vanligtvis inte visar något supraledande beteende, är bildning av TaSe 2−x Te x -förening möjlig genom dopning med telluratomer. Den tidigare sammansatta supraledande karaktären beror på andelen tellur ( x kan variera i intervallet ). Det supraledande tillståndet uppstår när andelen Te ligger inom : den optimala konfigurationen uppnås vid och i motsvarighet till en kritisk temperatur K. I den optimala konfigurationen undertrycks CDW totalt av närvaron av tellur.
Smörjmedel
Till skillnad från MoS 2 , som till stor del används som smörjmedel i många olika mekaniska tillämpningar, har TaSe 2 inte visat samma egenskaper, med en genomsnittlig friktionskoefficient på 0,15. Under friktionstester, som Barker-pendeln, visar den en initial friktionskoefficient på 0,2-0,3, som snabbt ökar till större värden när antalet svängningar av pendeln ökar (medan det för MoS 2 är nästan konstant under alla svängningar.)
Syntes
Det finns olika metoder för att syntetisera tantaldiselenid: beroende på tillväxtparametern kan olika typer av polytyp stabiliseras.
Kemisk ångtransport
I allmänhet kan TMD syntetiseras genom en kemisk ångtransportteknik i enlighet med följande kemiska ekvation:
där är den valda övergångsmetallen (Ta, Mo, etc.) och representerar det valda kalkogenelementet (Se, Te, S etc.). Parametern , som styr kristalltillväxten, kan variera mellan 3 och 50, och kan väljas på lämpligt sätt så att kristalltillväxten optimeras. Under sådan tillväxt, som kan pågå i 2 – 7 dagar, höjs temperaturen initialt inom ett intervall mellan 600 °C - 900 °C. Sedan kyls den ner till 530 °C - 800 °C. Efter att tillväxten är fullbordad kyls kristallerna ner till rumstemperatur. Beroende på värdet på kan antingen 2H- eller 1T-fasen stabiliseras: i synnerhet genom att använda tantal och selen med 800 °C är endast 2H-fasen stabiliserad. För 1T-fasen måste Detta gör det möjligt att selektivt växa den önskvärda fasen av den valda TMD.
Kemisk ångavsättning
Genom att använda pulver av TaCl 5 och Se som prekursorer, och ett guldsubstrat, kan 2H-fasen stabiliseras. Guldsubstratet måste värmas upp till 930 °C, medan TaCl 5 och Se kan värmas till 650 °C respektive 300 °C. Argon och vätgas används som bärare. När tillväxten är klar kyls provet ner till rumstemperatur.
Mekanisk peeling
Eftersom de enkla treskikten endast hålls samman av svaga Van der Waals-krafter, kan atomärt tunna lager av tantaldiselenid enkelt separeras genom att använda scotch/koltejp på bulk-TaSe 2 -kristallerna. Med denna metod är det möjligt att isolera några lager (eller till och med ett enda lager) av TaSe 2 . Sedan kan de isolerade skikten avsättas ovanför andra substrat, såsom Si02, för ytterligare karakteriseringar.
Molekylär strålepitaxi
Ren tantal sublimeras direkt på ett dubbelskikt av grafen i en selenatmosfär. Beroende på temperaturen på substratet (grafendubbelskikt), kan 1T- eller 2H-fasen stabiliseras: i synnerhet om °C gynnas 2H, medan vid °C är 1T stabiliserat. Denna odlingsmetod är endast lämplig för atomärt tunna/få lager, men inte för bulkkristaller.
Exfoliering i flytande fas
Bulkkristaller av TaSe 2 (eller någon annan TMD) sätts i en lösning av ren alkohol. Blandningen sonikeras sedan i en ultraljudsapparat med en effekt på minst 450 W under 15 timmar. På detta sätt är det möjligt att övervinna Van der Waals-krafterna som håller samman de enskilda monoskikten av TaSe 2 , vilket resulterar i bildandet av atomärt tunna flingor av tantaldiselenid.
Forskning
Optoelektronik
Eftersom 2H TaSe 2 har visat sig ha mycket stor optisk absorption och emission av ljus vid ungefär 532 nm, kan den användas för utveckling av nya enheter. I synnerhet har möjligheten att överföra energi mellan TaSe 2 och andra TMD, särskilt MoS 2 , bevisats. Denna process kan åstadkommas på ett icke-strålningsresonant sätt genom att utnyttja den stora kopplingen mellan TaSe 2 -emissionen och den excitoniska absorptionen av TMD.
Dessutom är det ett lovande material som kan användas för injektion av heta bärare i halvledande material och andra icke-metalliska TMDs på grund av den höga livslängden för de genererade fotoelektronerna .
Heloptisk switch och överföring av information
Genom att utnyttja beroendet av de icke-linjära effekterna av TaSe 2 av intensiteten för den infallande laserstrålen, är det möjligt att bygga en helt optisk switch med hjälp av två lasrar som arbetar med olika våglängder och intensiteter. Speciellt används en högintensitetslaser vid nm för att modulera en lågintensitetssignal vid nm. Eftersom det finns ett minimivärde på för att utlösa de icke-linjära effekterna, kan signalen med låg intensitet inte excitera ensam. Tvärtom, när strålen med hög intensitet ( ) är kopplad med signalen med låg intensitet ( , kommer icke-linjära effekter vid både uppstår. Så det är möjligt att utlösa de icke-linjära effekterna på signalen med låg intensitet ( genom att arbeta på den högintensiva ettan ( ).
Att utnyttja kopplingen mellan och möjliggör överföring av information från strålen med hög intensitet till strålen med låg intensitet. Med denna metod är fördröjningstiden för överföring av informationen från till cirka 0,6 s
Spin-orbit vridmomentenheter
Vanligtvis byggs spin-orbit-vridmoment och spin-to-charge- enheter genom att ett ferromagnetiskt skikt sätts ihop med en bulk tung övergångsmetall, såsom platina . Dessa effekter äger emellertid huvudsakligen rum vid gränsytan snarare än i platinabulken, vilket introducerar värmeavledning på grund av ohmska förluster. Teoretiska simuleringar och DFT-simuleringar tyder på att gränssnitt av ett 1T TaSe 2 -monoskikt med kobolt kan leda till högre prestanda jämfört med de vanliga platinabaserade enheterna.
Nyligen genomförda experiment visade att spin-omloppsspridningslängden för TaSe 2 är runt nm, vilket är mycket jämförbart med platina, nm. Detta antyder en möjlig implementering av tantaldiselenid för utveckling av nya 2D-spintroniska enheter baserade på Spin Hall-effekten .
Väteutvecklingsreaktion (HER)
DFT- och AIMD-simuleringar tyder på att stapling av flingor av både TaSe 2 och TaS 2 på ett oordnat sätt skulle kunna användas för utveckling av en ny effektiv och billigare katod som kan användas för extraktion av H 2 från andra kemiska föreningar.