El seleniuro de estaño , también conocido como seleniuro estannoso, es un compuesto inorgánico con la fórmula Sn Se . El seleniuro de estaño (II) es un calcogenuro metálico estratificado típico [3], ya que incluye un anión del grupo 16 (Se 2− ) y un elemento electropositivo (Sn 2+ ), y está dispuesto en una estructura estratificada. El seleniuro de estaño (II) es un semiconductor de banda estrecha (IV-VI) estructuralmente análogo al fósforo negro . Ha recibido un interés considerable por aplicaciones que incluyen energía fotovoltaica de bajo costo y dispositivos de conmutación de memoria.
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Nombres | |
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Otros nombres Seleniuro de estaño (II) | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
Tarjeta de información ECHA | 100.013.871 ![]() |
Número CE |
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PubChem CID | |
UNII | |
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Propiedades | |
SnSe | |
Masa molar | 197,67 g / mol |
Apariencia | polvo inodoro gris acero |
Densidad | 6.179 g / cm 3 |
Punto de fusion | 861 ° C (1,582 ° F; 1,134 K) |
despreciable | |
Brecha de banda | 0,9 eV (indirecto), 1,3 eV (directo) [1] |
Estructura | |
Ortorrómbico , OP8 [1] | |
Pnma, Nº 62 [1] | |
a = 4,4 Å, b = 4,2 Å, c = 11,5 Å [2] | |
Termoquímica | |
-88,7 kJ / mol | |
Peligros | |
Ficha de datos de seguridad | https://www.ltschem.com/msds/SnSe.pdf |
Tóxico ( T ) Peligroso para el medio ambiente ( N ) | |
Frases R (desactualizadas) | R23 / 25 , R33 , R50 / 53 |
Frases S (desactualizadas) | (S1 / 2) , S20 / 21 , S28 , S45 , S60 , S61 |
NFPA 704 (diamante de fuego) | ![]() 2 1 1 |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Óxido de estaño (II) Sulfuro de estaño (II) Telururo de estaño |
Otros cationes | Monoselenuro de carbono Monoselenuro de silicio Seleniuro de germanio Seleniuro de plomo |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
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Referencias de Infobox | |
Debido a su baja conductividad térmica así como a su conductividad eléctrica razonable, el seleniuro de estaño es uno de los materiales termoeléctricos más eficientes . [4] [5]
Estructura
El seleniuro de estaño (II) (SnSe) cristaliza en la estructura ortorrómbica que se deriva de una estructura de sal de roca distorsionada. Es isomorfo al seleniuro de germanio (GeSe). [6] La celda unitaria comprende dos capas invertidas. Cada átomo de estaño está unido covalentemente a tres átomos de selenio vecinos, y cada átomo de selenio está unido covalentemente a tres átomos de estaño vecinos. [7] Las capas se mantienen unidas principalmente por las fuerzas de van der Waals . [8] A temperaturas superiores a 800 K, su estructura cambia a estructura de sal gema. [4]
A presiones superiores a 58 GPa, SnSe actúa como superconductor ; este cambio de conductividad probablemente se deba a un cambio en la estructura a la del CsCl . [9]
Síntesis
El seleniuro de estaño (II) se puede formar haciendo reaccionar los elementos estaño y selenio por encima de 350 ° C. [10]
Se encuentran problemas con la composición durante la síntesis. Existen dos fases: la fase SnSe 2 hexagonal y la fase SnSe ortorrómbica. Se pueden sintetizar nanoestructuras específicas, [11] pero se han preparado pocas nanoestructuras 2D. Se han preparado tanto nanoestructuras cuadradas de SnSe como nanoestructuras de SnSe de una sola capa. Históricamente, la síntesis de fase controlada de nanoestructuras de seleniuro de estaño 2D es bastante difícil. [3]
Se ha preparado SnSe nanocristalino en forma de lámina con una fase ortorrómbica con buena pureza y cristalización mediante una reacción entre una solución acuosa alcalina de selenio y un complejo de estaño (II) a temperatura ambiente y presión atmosférica. [12] Los nanocristales de SnSe también se sintetizaron mediante una reacción de fotólisis láser en fase gaseosa que utilizó Sn (CH 3 ) 4 y Se (CH 3 ) 2 como precursores. [13]
Se pueden cultivar nanocables de SnSe de unos pocos átomos de espesor dentro de nanotubos de carbono de pared simple estrechos (~ 1 nm de diámetro) calentando los nanotubos con polvo de SnSe al vacío a 960 ° C. Al contrario que el SnSe a granel, tienen la estructura cristalina cúbica. [1]
Química
El seleniuro de estaño (II) adopta una estructura cristalina ortorrómbica estratificada a temperatura ambiente, que puede derivarse de una distorsión tridimensional de la estructura de NaCl. Hay placas de SnSe de dos átomos de espesor (a lo largo del plano b-c) con fuerte unión de Sn-Se dentro del plano de las losas, que luego se unen con una unión de Sn-Se más débil a lo largo de la dirección a. La estructura contiene poliedros de coordinación SnSe 7 altamente distorsionados , que tienen tres enlaces Sn-Se cortos y cuatro muy largos, y un par solitario de Sn 2+ acomodado estéricamente entre los cuatro enlaces Sn-Se largos. Las losas de SnSe de dos átomos de espesor están onduladas, creando una proyección en zig-zag similar a un acordeón a lo largo del eje b. La escisión fácil en este sistema es a lo largo de los planos (100). Mientras se enfría desde su fase de simetría más alta y alta temperatura (grupo espacial Cmcm , # 63), SnSe experimenta una transición de fase de desplazamiento (cizallamiento) a ~ 750-800 K, lo que resulta en un grupo espacial Pnma (# 62) de menor simetría . [14] Debido a esta estructura en capas, en zig-zag, similar a un acordeón, SnSe demuestra una baja anarmonicidad y una conductividad térmica de celosía intrínsecamente ultrabaja, lo que hace que SnSe sea uno de los materiales cristalinos menos conductivos térmicamente del mundo. El mecanismo fundamental de la baja conductividad térmica se ha elaborado en esta estructura estratificada "suave" en forma de acordeón y se ha verificado debido a una renormalización de fonones anormalmente fuerte. [5]
Uso en la recolección de energía
El seleniuro de estaño (II) pronto se utilizará en la recolección de energía . El seleniuro de estaño (II) ha demostrado la capacidad de convertir el calor residual en energía eléctrica. SnSe ha exhibido la mayor eficiencia de material termoeléctrico, medida por el parámetro ZT sin unidades, de cualquier material conocido (~ 2.62 a 923 K a lo largo del eje by ~ 2.3 a lo largo del eje c). Cuando se combina con la eficiencia de Carnot para la conversión de calor, la eficiencia general de conversión de energía es de aproximadamente el 25%. Para que este proceso termoeléctrico funcione, un generador termoeléctrico debe aprovechar la diferencia de temperatura experimentada por dos patas de una unión de termopar. Cada pata está compuesta de un material específico que se optimiza en el rango de temperatura de funcionamiento de interés. SnSe serviría como la rama semiconductora de tipo p. Dicho material debe tener una conductividad térmica total baja, una conductividad eléctrica alta y un coeficiente de Seebeck alto de acuerdo con la figura termoeléctrica de mérito ZT. Aunque la eficiencia récord se debe probablemente a la baja conductividad térmica del cristal, la estructura electrónica puede tener un papel tan importante: SnSe tiene una estructura de banda de valencia altamente anisotrópica, que consta de múltiples valles que actúan como canales independientes para dispositivos muy móviles, transporte de carga de masa efectiva baja en el interior y conductividad de portador pesado perpendicular a las capas. [15] Si bien, históricamente, se han utilizado telururo de plomo y silicio-germanio , estos materiales han sufrido la conducción de calor a través del material. [dieciséis]
A temperatura ambiente, la estructura cristalina de SnSe es Pnma . Sin embargo, a ~ 750 K, experimenta una transición de fase que da como resultado una estructura Cmcm de mayor simetría . Esta transición de fase conserva muchas de las ventajosas propiedades de transporte de SnSe. El comportamiento estructural dinámico de SnSe que implica la transición de fase reversible ayuda a preservar el factor de alta potencia. La fase Cmcm , que está relacionada estructuralmente con la fase Pnma de baja temperatura , exhibe una brecha de energía sustancialmente reducida y movilidades portadoras mejoradas mientras mantiene la conductividad térmica ultrabaja, produciendo así el récord de ZT. Debido a la estructura en capas de SnSe, que no conduce bien el calor, un extremo del monocristal de SnSe puede calentarse mientras que el otro permanece frío. Esta idea puede ir en paralelo con la idea de un colchón postural pedic que no transfiera vibraciones lateralmente. En SnSe, la capacidad de las vibraciones del cristal (también conocidas como fonones ) para propagarse a través del material se ve significativamente obstaculizada. Esto significa que el calor solo puede viajar debido a los portadores calientes (un efecto que puede ser aproximado por la ley de Wiedemann-Franz ), un mecanismo de transporte de calor que es mucho menos significativo para la conductividad térmica total. Por lo tanto, el extremo caliente puede permanecer caliente mientras que el extremo frío permanece frío, manteniendo el gradiente de temperatura necesario para el funcionamiento del dispositivo termoeléctrico. La escasa capacidad para transportar calor a través de su celosía permite la alta eficiencia de conversión termoeléctrica resultante, récord. [17] El PbTe-4SrTe-2Na jerárquico a escala nanoestructurado previamente reportado (con un ZT de 2.2) exhibe una conductividad térmica reticular de 0.5 W m −1 K −1 . El ZT ~ 2.6 sin precedentes de SnSe surge principalmente de una conductividad térmica de celosía aún más baja de 0.23 W m −1 K −1 . [14] Sin embargo, para aprovechar esta conductividad térmica de celosía ultrabaja, el método de síntesis debe dar como resultado monocristales a macroescala, ya que se ha demostrado que el SnSe policristalino de tipo p tiene una ZT significativamente reducida. [18] La mejora en la figura de mérito por encima de un valor relativamente alto de 2,5 puede tener ramificaciones radicales para aplicaciones comerciales, especialmente para materiales que utilizan elementos menos costosos, más abundantes en la Tierra que carecen de plomo y telurio (dos materiales que han prevalecido en la industria de materiales termoeléctricos durante las últimas dos décadas).
Otros usos
Los seleniuros de estaño se pueden utilizar para dispositivos optoelectrónicos , células solares , dispositivos de conmutación de memoria [6] y ánodos para baterías de iones de litio . [3]
El seleniuro de estaño (II) tiene un uso adicional como lubricante de estado sólido, debido a la naturaleza de su unión entre capas. [19] Sin embargo, no es el más estable de los lubricantes de estado sólido de calcogenuro, ya que el diselenuro de tungsteno tiene un enlace interplanar mucho más débil, es altamente químicamente inerte y tiene una alta estabilidad en ambientes de alta temperatura y alto vacío.
Referencias
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