seleniuro de estaño

El seleniuro de estaño , también conocido como seleniuro estannoso, es un compuesto inorgánico con la fórmula Sn₂Se₃ . El seleniuro de estaño(II) es un semiconductor de banda prohibida estrecha (IV-VI) estructuralmente análogo al fósforo negro . Ha despertado un considerable interés por sus posibles aplicaciones, incluyendo dispositivos fotovoltaicos de bajo costo y dispositivos de conmutación de memoria. Debido a su baja conductividad térmica y a su razonable conductividad eléctrica, el seleniuro de estaño es uno de los materiales termoeléctricos más eficientes . ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El α-SnSe se clasifica como un calcogenuro metálico laminar . ^{[ 6 ]} Incluye un anión del grupo 16 (Se ²⁻ ) y un elemento electropositivo (Sn ²⁺ ), y está dispuesto en una estructura laminar. El seleniuro de estaño(II) (SnSe) cristaliza en la estructura ortorrómbica que está relacionada con la estructura de sal de roca. Es isomorfo al seleniuro de germanio (GeSe). ^{[ 7 ]} 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. ^{[ 8 ]} Las capas se mantienen unidas principalmente por fuerzas de van der Waals . ^{[ 9 ]} A temperaturas superiores a 800 K su estructura cambia a la estructura de sal de roca. ^{[ 4 ]}

A presiones superiores a 58 GPa, el SnSe actúa como un superconductor ; este cambio de conductividad probablemente se deba a un cambio en la estructura a la del CsCl . ^{[ 10 ]} Otro polimorfo basado en el sistema cristalino cúbico y ortorrómbico se conoce como π-SnSe (grupo espacial: P213, n.° 198). ^{[ 11 ]} También se ha informado de una fase γ-SnSe (grupo espacial: Pnma, n.° 62). ^{[ 12 ]}

El seleniuro de estaño(II) se puede formar combinando los elementos estaño y selenio por encima de 350  °C. ^{[ 13 ]}

Durante la síntesis se presentan problemas con la composición. Existen dos fases: la fase hexagonal de SnSe₂ _y la fase ortorrómbica de SnSe. Se pueden sintetizar nanoestructuras específicas, ^{[ 14 ]} pero se han preparado pocas nanoestructuras bidimensionales. Se han preparado tanto nanoestructuras cuadradas de SnSe como nanoestructuras monocapa de SnSe. Históricamente, la síntesis controlada por fase de nanoestructuras bidimensionales de seleniuro de estaño es bastante difícil. ^{[ 6 ]}

Se ha preparado SnSe nanocristalino laminar con 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. ^{[ 15 ]} Se pueden cultivar nanocables de SnSe de 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. A diferencia del SnSe a granel, tienen la estructura cristalina cúbica. ^{[ 2 ]} 

El seleniuro de estaño(II) se ha considerado para aplicaciones termoeléctricas. ^{[ 16 ]} El SnSe ha exhibido la mayor eficiencia de material termoeléctrico , medida por el parámetro ZT adimensional, de cualquier material conocido (~2,62 a 923 K a lo largo del eje b y ~2,3 a lo largo del eje c). Cuando se combina con la eficiencia de Carnot para la conversión de calor, la eficiencia de conversión de energía total es de aproximadamente el 25%. Su alta eficiencia se debe probablemente a la baja conductividad térmica del cristal, la estructura electrónica puede tener un papel igualmente importante: el SnSe tiene una estructura de banda de valencia altamente anisotrópica, que consiste en múltiples valles que actúan como canales independientes para el transporte de carga muy móvil y de baja masa efectiva dentro, y una conductividad de portadores pesados ​​perpendicular a las capas. ^{[ 17 ]} Si bien, históricamente, se han utilizado el telururo de plomo y el silicio-germanio , estos materiales sufren de alta conductividad térmica. ^{[ 18 ]}

A temperatura ambiente, la estructura cristalina del SnSe es Pnma . Sin embargo, a ~750 K, experimenta una transición de fase que resulta en una estructura Cmcm de mayor simetría . Esta transición de fase conserva muchas de las ventajosas propiedades de transporte del SnSe. El comportamiento estructural dinámico del SnSe, que implica la transición de fase reversible, ayuda a preservar el alto factor de potencia. La fase Cmcm , que está estructuralmente relacionada con la fase Pnma de baja temperatura , exhibe una brecha de energía sustancialmente reducida y movilidades de portadores mejoradas, manteniendo al mismo tiempo la conductividad térmica ultrabaja, lo que produce el ZT récord. Debido a la estructura laminar del SnSe, que no conduce bien el calor, un extremo del monocristal de SnSe puede calentar mientras que el otro permanece frío. Esta idea puede compararse con la de un colchón postural-pedic que no transfiere vibraciones lateralmente. En el SnSe, la capacidad de las vibraciones cristalinas (también conocidas como fonones ) para propagarse a través del material se ve significativamente obstaculizada. Esto significa que el calor solo puede viajar debido a portadores calientes (un efecto que puede aproximarse mediante 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 de transportar calor a través de su red permite la eficiencia de conversión termoeléctrica récord resultante. ^{[ 19 ]} El PbTe-4SrTe-2Na jerárquico a todas las escalas nanoestructurado previamente informado (con un ZT de 2,2) exhibe una conductividad térmica de red de 0,5 W m ⁻¹ K ⁻¹ . El ZT ~2,6 sin precedentes del SnSe surge principalmente de una conductividad térmica de red aún menor de 0,23 W m ⁻¹ K ⁻¹ . ^{[ 20 ]} Sin embargo, para aprovechar esta conductividad térmica de red 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 un ZT significativamente reducido. ^{[ 21 ]} La mejora en la figura de mérito por encima de un valor relativamente alto de 2,5 puede tener ramificaciones de gran alcance para las aplicaciones comerciales, especialmente para materiales que utilizan elementos menos costosos y más abundantes en la Tierra que están desprovistos de plomo y telurio (dos materiales que han sido predominantes en la industria de materiales termoeléctricos durante las últimas dos décadas).