El telururo de bismuto (Bi 2 Te 3 ) es un polvo gris que es un compuesto de bismuto y telurio, también conocido como telururo de bismuto (III). Es un semiconductor que, cuando se alea con antimonio o selenio , es un material termoeléctrico eficiente para refrigeración o generación de energía portátil. Bi 2 Te 3 es un aislante topológico y, por tanto, presenta propiedades físicas dependientes del espesor.
Cristal único de telururo de bismuto | |
Estructura atómica: ideal (l) y con un defecto gemelo (r) | |
Micrografía electrónica de telururo de bismuto maclados | |
Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.013.760 |
Número CE |
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PubChem CID | |
UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
Bi 2 Te 3 | |
Masa molar | 800,76 g / mol [1] |
Apariencia | polvo gris |
Densidad | 7,74 g / cm 3 [1] |
Punto de fusion | 580 ° C (1.076 ° F; 853 K) [1] |
insoluble [1] | |
Solubilidad en etanol | soluble [1] |
Estructura | |
Trigonal , HR15 | |
R 3 m, No. 166 [2] | |
a = 0,4395 nm, c = 3,044 nm | |
Unidades de fórmula ( Z ) | 3 |
Peligros | |
Ficha de datos de seguridad | Sigma-Aldrich |
NFPA 704 (diamante de fuego) | |
punto de inflamabilidad | incombustible [3] |
NIOSH (límites de exposición a la salud de EE. UU.): | |
PEL (permitido) | TWA 15 mg / m 3 (total) TWA 5 mg / m 3 (resp) (puro) ninguno (dopado con sulfuro de selenio ) [3] |
REL (recomendado) | TWA 10 mg / m 3 (total) TWA 5 mg / m 3 (resp) (puro) TWA 5 mg / m 3 (dopado con sulfuro de selenio) [3] |
IDLH (peligro inmediato) | ND (puro y dopado) [3] |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Propiedades como material termoeléctrico
El telururo de bismuto es un semiconductor de capas estrechas con una celda unitaria trigonal. La estructura de la banda de valencia y conducción se puede describir como un modelo de muchos elipsoidales con 6 elipsoides de energía constante que están centrados en los planos de reflexión. [4] Bi 2 Te 3 se escinde fácilmente a lo largo del eje trigonal debido a la unión de Van der Waals entre átomos de telurio vecinos. Debido a esto, los materiales a base de telururo de bismuto utilizados para aplicaciones de generación de energía o enfriamiento deben ser policristalinos. Además, el coeficiente de Seebeck de Bi 2 Te 3 a granel se compensa alrededor de la temperatura ambiente, lo que obliga a los materiales utilizados en los dispositivos de generación de energía a ser una aleación de bismuto, antimonio, telurio y selenio. [5]
Recientemente, los investigadores han intentado mejorar la eficiencia de los materiales basados en Bi 2 Te 3 mediante la creación de estructuras en las que se reducen una o más dimensiones, como nanocables o películas delgadas. En uno de esos casos , se demostró que el telururo de bismuto tipo n tiene un coeficiente de Seebeck mejorado (voltaje por diferencia de temperatura unitaria) de -287 μV / K a 54 ° C, [6] Sin embargo, uno debe darse cuenta de que el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica tienen una compensación: un coeficiente de Seebeck más alto da como resultado una menor concentración de portadores y una menor conductividad eléctrica. [7]
En otro caso, los investigadores informan que el telururo de bismuto tiene una conductividad eléctrica alta de 1,1 × 10 5 S · m / m 2 con su conductividad térmica reticular muy baja de 1,20 W / (m · K), similar al vidrio ordinario . [8]
Propiedades como aislante topológico
El telururo de bismuto es un aislante topológico bien estudiado. Se ha demostrado que sus propiedades físicas cambian a espesores muy reducidos, cuando sus estados de superficie conductora están expuestos y aislados. Estas delgadas muestras se obtienen mediante epitaxia o exfoliación mecánica.
Los métodos de crecimiento epitaxial, como la epitaxia de haz molecular y la deposición de vapor químico orgánico metálico, son métodos comunes para obtener muestras delgadas de Bi 2 Te 3 . La estequiometría de las muestras obtenidas mediante tales técnicas puede variar mucho entre experimentos, por lo que la espectroscopia Raman se utiliza a menudo para determinar la pureza relativa. Sin embargo, las muestras delgadas de Bi 2 Te 3 son resistentes a la espectroscopía Raman debido a su bajo punto de fusión y su escasa dispersión del calor. [9]
La estructura cristalina de Bi 2 Te 3 permite la exfoliación mecánica de muestras delgadas escindiendo a lo largo del eje trigonal. Este proceso tiene un rendimiento significativamente menor que el crecimiento epitaxial, pero produce muestras sin defectos ni impurezas. De manera similar a la extracción de grafeno de muestras de grafito a granel, esto se hace aplicando y quitando cinta adhesiva de muestras sucesivamente más delgadas. Este procedimiento se ha utilizado para obtener escamas de Bi 2 Te 3 con un espesor de 1 nm. [10] Sin embargo, este proceso puede dejar cantidades significativas de residuos de adhesivo en un sustrato estándar de Si / SiO 2 , que a su vez oscurece las mediciones de microscopía de fuerza atómica e inhibe la colocación de contactos en el sustrato para propósitos de prueba. Las técnicas de limpieza habituales, como el plasma de oxígeno, la acetona hirviendo y el alcohol isopropílico, son ineficaces para eliminar los residuos. [11]
Aparición y preparación
La forma mineral de Bi 2 Te 3 es la telurobismutita, que es moderadamente rara. Hay muchos telururos de bismuto naturales de diferente estequiometría , así como compuestos del sistema Bi-Te-S- (Se), como Bi 2 Te 2 S ( tetradimita ).
El telururo de bismuto se puede preparar simplemente sellando polvos mezclados de bismuto y telurio metálico en un tubo de cuarzo al vacío (crítico, ya que una muestra sin sellar o con fugas puede explotar en un horno) y calentarla a 800 ° C en un horno de mufla .
Ver también
- Materiales termoeléctricos
- Efecto termoeléctrico
- Aislante topológico
Referencias
- ^ a b c d e Haynes, William M., ed. (2011). Manual CRC de Química y Física (92ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press . pag. 4.52. ISBN 1439855110.
- ^ Feutelais, Y .; Legendre, B .; Rodier, N .; Agafonov, V. (1993). "Un estudio de las fases en el sistema bismuto-telurio". Boletín de investigación de materiales . 28 (6): 591. doi : 10.1016 / 0025-5408 (93) 90055-I .
- ^ a b c d Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos. "# 0056" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH).
- ^ Caywood, LP; Miller, G. (1970). "Anisotropía de las superficies de energía constante en p-tipo Bi 2 Te 3 y Bi 2 Se 3 a partir de coeficientes galvanomagnéticos". Phys. Rev. B . 2 (8): 3209. Código Bibliográfico : 1970PhRvB ... 2.3209C . doi : 10.1103 / PhysRevB.2.3209 .
- ^ Satterthwaite, CB; Ure, R. (1957). "Propiedades eléctricas y térmicas de Bi 2 Te 3 ". Phys. Rev . 108 (5): 1164. Bibcode : 1957PhRv..108.1164S . doi : 10.1103 / PhysRev.108.1164 .
- ^ Tan, J. (2005). "Propiedades termoeléctricas de películas delgadas de telururo de bismuto depositadas por pulverización catódica de magnetrón de radiofrecuencia". Procedimientos de SPIE . Actas del SPIE . Sensores inteligentes, actuadores y MEMS II. 5836 . págs. 711–718. Código bibliográfico : 2005SPIE.5836..711T . doi : 10.1117 / 12.609819 .
- ^ Goldsmid, HJ; Sheard, AR y Wright, DA (1958). "El rendimiento de las termouniones de telururo de bismuto". Br. J. Appl. Phys . 9 (9): 365. Bibcode : 1958BJAP .... 9..365G . doi : 10.1088 / 0508-3443 / 9/9/306 .
- ^ Takeiishi, M .; et al. "Medidas de conductividad térmica de películas delgadas de telururo de bismuto mediante el método 3 Omega" (PDF) . El 27º Simposio de Japón sobre propiedades termofísicas, 2006, Kyoto. Archivado desde el original (PDF) el 28 de junio de 2007 . Consultado el 6 de junio de 2009 .
- ^ Teweldebrhan, D .; Goyal, V .; Balandin, A. A (2010). "Del grafeno al telururo de bismuto: exfoliación mecánica de cristales cuasi-2D para aplicaciones en termoeléctricos y aislantes topológicos". Nano Letras . 10 (12): 1209–18. Código Bibliográfico : 2010NanoL..10.1209T . doi : 10.1021 / nl903590b . PMID 20205455 .
- ^ Teweldebrhan, Desalegne; Balandin, Alexander A. (2010). " " El grafeno-Al igual que "La exfoliación de atómicamente delgadas películas de Bi". Transacciones ECS : 103-117. doi : 10.1149 / 1.3485611 .
- ^ Childres, Isaac; Tian, Jifa; Miotkowski, Ireneusz; Chen, Yong (2013). "Estudios AFM y Raman de materiales aislantes topológicos sujetos a grabado con plasma de argón". Revista Filosófica . 93 (6): 681–689. arXiv : 1209.2919 . Código bibliográfico : 2013PMag ... 93..681C . doi : 10.1080 / 14786435.2012.728009 .
enlaces externos
- Medios relacionados con el telururo de bismuto en Wikimedia Commons
- Telururo de bismuto y sus aleaciones (Capítulo 4.5 de la disertación de Martin Wagner)
- CDC - Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos - Telururo de bismuto, sin dopar