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Articulo de referencia

disulfuro de tungsteno

2 film on sapphire. Right: dark exfoliated WS 2 film floating on water"},"IUPACName":{"wt":"Tungsten sulfur Bis(sulfanylidene)tungsten"},"SystematicName":{"wt":"Dithioxotungsten...

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El disulfuro de tungsteno es un compuesto químico inorgánico formado por tungsteno y azufre, con la fórmula química WS₂ . Este compuesto pertenece al grupo de materiales denominados dicalcogenuros de metales de transición . Se presenta de forma natural como el raro mineral tungstenita . Este material es un componente de ciertos catalizadores utilizados en la hidrodesulfuración y la hidrodesnitrificación .

El WS₂ adopta una estructura laminar similar, o isotípica, a la del MoS₂ , pero con átomos de W situados en una esfera de coordinación prismática trigonal (en lugar de átomos de Mo). Debido a esta estructura laminar, el WS₂ forma nanotubos no carbonáceos , que fueron descubiertos tras calentar una muestra delgada de WS₂ en 1992. [ 6 ]

Estructura y propiedades físicas

Imagen atómica (arriba) y modelo (abajo) de WS₂ dopado con Nb . Las esferas azules, rojas y amarillas indican átomos de W, Nb y S, respectivamente. El dopaje con Nb permite reducir la banda prohibida del WS₂ . [ 7 ]

El WS₂ a granel forma cristales hexagonales de color gris oscuro con una estructura en capas. Al igual que el MoS₂, estrechamente relacionado , presenta propiedades de lubricante seco .

Aunque durante mucho tiempo se pensó que el WS₂ era relativamente estable en el aire ambiente, informes recientes sobre la oxidación de monocapas de WS₂ en el aire ambiente han demostrado que esto no es así. En su forma monocapa, el WS₂ se convierte con bastante rapidez (en el transcurso de días bajo luz ambiental y en la atmósfera) en óxido de tungsteno mediante una reacción de fotooxidación que involucra longitudes de onda visibles de luz fácilmente absorbidas por la monocapa de WS₂ ( < ~660  nm; > ~1,88  eV). [ 8 ] Además de luz de longitud de onda adecuada, es probable que la reacción requiera oxígeno y agua para llevarse a cabo, y se cree que el agua actúa como catalizador de la oxidación. Los productos de la reacción probablemente incluyen diversas especies de óxido de tungsteno y ácido sulfúrico . La oxidación de otros dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (S-TMD), como el MoS₂ , también se ha observado en condiciones atmosféricas y bajo luz ambiental. [ 9 ]

El WS₂ también es atacado por una mezcla de ácido nítrico e hidrofluórico . Cuando se calienta en una atmósfera que contiene oxígeno, el WS₂ se convierte en trióxido de tungsteno . Cuando se calienta en ausencia de oxígeno, el WS₂ no se funde, sino que se descompone en tungsteno y azufre, pero solo a 1250 °C. [ 1 ] 

Históricamente, el WS₂ monocapa se aisló mediante exfoliación química por intercalación con litio a partir de n-butil litio (en hexano), seguida de la exfoliación del compuesto intercalado con litio por sonicación en agua. [ 10 ] El WS₂ también se exfolia mediante tratamiento con diversos reactivos como el ácido clorosulfónico [ 11 ] y los haluros de litio. [ 12 ]

Síntesis

El WS 2 se produce mediante varios métodos. [ 1 ] [ 13 ] Muchos de estos métodos implican el tratamiento de óxidos con fuentes de sulfuro o hidrosulfuro, suministradas como sulfuro de hidrógeno o generadas in situ .

Películas delgadas y monocapas

Las técnicas más utilizadas para el crecimiento de monocapas de WS2 incluyen :

Aunque la mayoría de los métodos actuales producen defectos de vacantes de azufre en exceso de 1×10 13  cm −2 . [ 14 ]

Otras rutas implican la termólisis de sulfuros de tungsteno(VI) (por ejemplo, (R 4 N) 2 WS 4 ) o su equivalente (por ejemplo, WS 3 ). [ 13 ]

Las películas de WS₂ autoportantes se pueden producir de la siguiente manera: el WS₂ se deposita sobre un sustrato hidrofílico, como el zafiro , y luego se recubre con un polímero, como el poliestireno . Después de sumergir la muestra en agua durante unos minutos, la película hidrofóbica de WS₂ se desprende espontáneamente. [ 15 ]

Aplicaciones

El WS2 se utiliza, junto con otros materiales, como catalizador para el hidrotratamiento del petróleo crudo. [ 13 ] En los últimos años también se han encontrado aplicaciones como saturable para láseres de fibra de modo bloqueado pasivo, lo que da como resultado la producción de pulsos de femtosegundos.

El disulfuro de tungsteno laminar se utiliza como lubricante seco para sujetadores , cojinetes y moldes, [ 16 ] además de tener un uso significativo en las industrias aeroespacial y militar. [ 17 ] , que tienen un coeficiente de fricción extremadamente bajo de 0,03.

WS 2 se puede aplicar a una superficie metálica sin aglutinantes ni curado, mediante impacto de aire a alta velocidad . La norma oficial más reciente para este proceso se establece en la especificación SAE International AMS2530B. [ 18 ]

Investigación

Al igual que el MoS₂ , el WS₂ nanoestructurado se estudia activamente para posibles aplicaciones, como el almacenamiento de hidrógeno y litio. [ 11 ] El WS₂ también cataliza la hidrogenación del dióxido de carbono : [ 11 ] [ 19 ] [ 20 ]

CO 2 + H 2 → CO + H 2 O

nanotubos

El disulfuro de tungsteno es el primer material que se descubrió que formaba nanotubos no de carbono , en 1992. [ 6 ] Esta capacidad está relacionada con la estructura en capas del WS 2 , y se han producido cantidades macroscópicas de WS 2 mediante los métodos mencionados anteriormente. [ 13 ] Los nanotubos de WS 2 se han investigado como agentes de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos. En un estudio, los nanocompuestos poliméricos biodegradables de fumarato de polipropileno (PPF) reforzados con nanotubos de WS 2 mostraron aumentos significativos en el módulo de Young, la resistencia a la compresión, el módulo de flexión y la resistencia a la flexión, en comparación con los nanocompuestos de PPF reforzados con nanotubos de carbono de pared simple y múltiple, lo que sugiere que los nanotubos de WS 2 pueden ser mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. [ 21 ] La adición de nanotubos de WS 2 a la resina epoxi mejoró la adhesión , la tenacidad a la fractura y la tasa de liberación de energía de deformación. El desgaste del epoxi reforzado con nanotubos es menor que el del epoxi puro. [ 22 ] Se incrustaron nanotubos de WS 2 en una matriz de nanofibras de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) mediante electrohilado. Los nanotubos se dispersaron bien y se alinearon a lo largo del eje de la fibra. La mayor rigidez y tenacidad de las mallas de fibra de PMMA mediante la adición de nanotubos no de carbono pueden tener usos potenciales como materiales absorbentes de impacto, por ejemplo, para chalecos antibalas . [ 23 ] [ 24 ]

Los nanotubos de WS₂ son huecos y pueden rellenarse con otro material para preservarlo o guiarlo a una ubicación deseada, o para generar nuevas propiedades en el material de relleno confinado dentro de un diámetro a escala nanométrica. Con este fin, se fabricaron híbridos de nanotubos no de carbono rellenando nanotubos de WS₂ con plomo fundido, antimonio o yoduro de bismuto mediante un proceso de humectación capilar, lo que dio como resultado nanotubos de núcleo-corteza de PbI₂ @ WS₂ , SbI₃ @ WS₂ o BiI₃ @ WS₂ . [ 25 ]

Nanohojas

El WS₂ también puede existir en forma de láminas atómicamente delgadas. [ 26 ] Estos materiales exhiben fotoluminiscencia a temperatura ambiente en el límite de monocapa. [ 27 ]

Transistores

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) está investigando desde 2019 el uso de WS2 como material de canal entransistores de efecto de campo. El material de aproximadamente 6 capas de espesor se crea mediantedeposición química de vapor(CVD). [ 28 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Eagleson, Mary (1994). Enciclopedia concisa de química . Walter de Gruyter. pág.  1129. ISBN 978-3-11-011451-5.
  2. ↑ Kam KK, Parkinson BA (febrero de 1982). "Espectroscopia detallada de fotocorriente de los dicalcogenuros de metales de transición del grupo VIB semiconductores". Journal of Physical Chemistry . 86 (4): 463– 467. doi : 10.1021/j100393a010 .
  3. ↑ Baglio JA, Calabrese GS, Kamieniecki E, Kershaw R, Kubiak CP, Ricco AJ, et al. (julio de 1982). "Caracterización de fotoánodos de disulfuro de tungsteno semiconductores de tipo n en soluciones electrolíticas acuosas y no acuosas: fotooxidación de haluros con alta eficiencia" . J. Electrochem. Soc . 129 (7): 1461–1472 . Bibcode : 1982JElS..129.1461B . doi : 10.1149/1.2124184 . 
  4. ↑ Gutiérrez H, Perea-López N, Elías AL, Berkdemir A, Wang B, Lv R, et al. (noviembre de 2012). "Extraordinaria fotoluminiscencia a temperatura ambiente en monocapas triangulares WS2". Nano Letras . 13 (8): 3447–3454 . arXiv : 1208,1325 . Código Bib : 2013NanoL..13.3447G . doi : 10.1021/nl3026357 . PMID 23194096 . S2CID 207597527 .   
  5. ↑ Haynes WM, ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92.ª ed.). Boca Raton, Florida: CRC Press . pág. 4.136. ISBN   1-4398-5511-0.
  6. ^ Tenne R, Margulis L, Genut M, Hodes G (1992). "Estructuras poliédricas y cilíndricas de disulfuro de tungsteno". Naturaleza . 360 (6403): 444– 446. Bibcode : 1992Natur.360..444T . doi : 10.1038/360444a0 . S2CID 4309310 . 
  7. ↑ Sasaki S, Kobayashi Y, Liu Z, Suenaga K, Maniwa Y, Miyauchi Y, et al. (2016). "Crecimiento y propiedades ópticas de monocapas de WS 2 dopadas con Nb " . Applied Physics Express . 9 (7) 071201. Bibcode : 2016APExp...9g1201S . doi : 10.7567/APEX.9.071201 . Icono de acceso abierto
  8. ↑ Kotsakidis JC, Zhang Q, Vazquez de Parga AL, Currie M, Helmerson K, Gaskill DK, et al. (julio de 2019). "La oxidación de la monocapa de WS2 en ambiente es un proceso fotoinducido". Nano Letters . 19 (8): 5205– 5215. arXiv : 1906.00375 . Bibcode : 2019NanoL..19.5205K . doi : 10.1021/acs.nanolett.9b01599 . PMID 31287707. S2CID 173990948 .   
  9. ^ Gao J, Li B, Tan J, Chow P, Lu TM, Koratker N (enero de 2016). "Envejecimiento de monocapas de dichalcogenuros de metales de transición". ACS Nano . 10 (2): 2628–2635 . doi : 10.1021/acsnano.5b07677 . PMID 26808328 . S2CID 18010466 .  
  10. ↑ Joensen P, Frindt RF, Morrison SR (1986). "MoS2 de una sola capa". Materials Research Bulletin . 21 (4): 457– 461. doi : 10.1016/0025-5408(86)90011-5 .
  11. 1 2 3 Bhandavat R, David L, Singh G (2012). "Síntesis de nanohojas de WS 2 funcionalizadas en superficie y su rendimiento como ánodos de baterías de iones de litio" . The Journal of Physical Chemistry Letters . 3 (11): 1523– 30. doi : 10.1021/jz300480w . PMID 26285632 . 
  12. ↑ Ghorai A, Midya A, Maiti R, Ray SK (2016). "Exfoliación de WS2 en la fase semiconductora utilizando un grupo de haluros de litio: un nuevo método de intercalación de Li". Dalton Transactions . 45 (38): 14979– 14987. doi : 10.1039/C6DT02823C . PMID 27560159 . 
  13. 1 2 3 4 Panigrahi, Pravas Kumar, Pathak, Amita (2008). "Síntesis asistida por microondas de nanocables de WS 2 a través de precursores de tetratiotungstato" . Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (4) 045008. Bibcode : 2008STAdM...9d5008P . doi : 10.1088 / 1468-6996/9/4/045008 . PMC 5099650. PMID 27878036 .  
  14. ↑ Hong J, Hu Z, Probert M, Li K, Lv D, Yang X, et al. (febrero de 2015). " Explorando defectos atómicos en monocapas de disulfuro de molibdeno" . Nature Communications . 6 : 6293. Bibcode : 2015NatCo...6.6293H . doi : 10.1038/ncomms7293 . PMC 4346634. PMID 25695374 .   
  15. ↑ Yu Y, Fong PW, Wang S, Surya C (2016). "Fabricación de una unión pn de WS2/GaN mediante transferencia de película delgada de WS2 a escala de oblea" . Scientific Reports . 6 37833. Bibcode : 2016NatSR...637833Y . doi : 10.1038/srep37833 . PMC 5126671. PMID 27897210 .  
  16. ↑ French LG, ed. (1967). "Dicronite" . Machinery . Vol. 73. Machinery Publications Corporation. pág. 101.  
  17. ↑ "Procesos especiales aprobados por calidad mediante código de proceso especial" . BAE Systems. 7 de julio de 2020.
  18. ↑ "AMS2530A: Recubrimiento de disulfuro de tungsteno, película lubricante delgada, aplicación por impacto sin aglutinante" . SAE International . Consultado el 10 de julio de 2020 .
  19. ↑ Lassner, Erik, Schubert, Wolf-Dieter (1999). Tungsteno: propiedades, química, tecnología del elemento, aleaciones y compuestos químicos . Springer. pp. 374–. ISBN  978-0-306-45053-2.
  20. ↑ Ingeniero crea baterías recargables con nanomateriales en capas . Science Daily (16 de enero de 2013)
  21. ↑ Lalwani G (septiembre de 2013). "Nanotubos de disulfuro de tungsteno reforzados con polímeros biodegradables para ingeniería de tejido óseo" . Acta Biomaterialia . 9 (9): 8365– 8373. doi : 10.1016/j.actbio.2013.05.018 . PMC 3732565. PMID 23727293 .  
  22. ↑ Zohar, E., et al. (2011). "Propiedades mecánicas y tribológicas de nanocompuestos epoxi con nanotubos de WS2" . Sensors & Transducers Journal . 12 (Número especial): 53–65 . 
  23. ↑ Reddy, CS, Zak, A., Zussman, E. (2011). "Nanotubos de WS2 incrustados en nanofibras de PMMA como material absorbente de energía". J. Mater. Chem . 21 (40): 16086– 16093. doi : 10.1039/C1JM12700D .
  24. ↑ Nanoarmadura: Protegiendo a los soldados del mañana . Physorg.com (10 de diciembre de 2005). Consultado el 20 de enero de 2016.
  25. ↑ Kreizman R, Enyashin AN, Deepak FL, Albu-Yaron A, Popovitz-Biro R, Seifert G, et al. (2010). "Síntesis de nanotubos inorgánicos de núcleo-capa". Adv. Funct. Mater . 20 (15): 2459– 2468. doi : 10.1002/adfm.201000490 . S2CID 136725896 .  
  26. ↑ Coleman JN, Lotya M, O'Neill A, Bergin SD, King PJ, Khan U, et al. (2011). "Nanoláminas bidimensionales producidas por exfoliación líquida de materiales en capas" . Science . 331 ( 6017): 568–71 . Bibcode : 2011Sci...331..568C . doi : 10.1126/science.1194975 . hdl : 2262/66458 . PMID 21292974. S2CID 23576676 .   
  27. ↑ Gutiérrez HR, Perea-López N, Elías AL, Berkdemir A, Wang B, Lv R, et al. (2013). "Extraordinaria fotoluminiscencia a temperatura ambiente en monocapas triangulares WS 2 ". Nano Letras . 13 (8): 3447– 54. arXiv : 1208.1325 . Código Bib : 2013NanoL..13.3447G . doi : 10.1021/nl3026357 . PMID 23194096 . S2CID 207597527 .   
  28. ↑ Cheng CC, Chung YY, Li UY, Lin CT, Li CF, Chen JH, et al. (2019). "Primera demostración de un pFET de WS2 de compuerta superior con longitud de canal de 40 nm mediante crecimiento CVD selectivo del área del canal directamente sobre sustrato de SiOx/Si". Simposio de 2019 sobre tecnología VLSI . IEEE . págs. T244– T245. doi : 10.23919/VLSIT.2019.8776498 . ISBN   978-4-86348-719-2. S2CID 198931613 .