El telururo de bismuto ( Bi 2 Te 3 ) es un polvo gris 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. El Bi 2 Te 3 es un aislante topológico y, por lo tanto, presenta propiedades físicas que dependen del espesor.
El telururo de bismuto es un semiconductor de capas de espacio estrecho con una celda unitaria trigonal. La estructura de la banda de valencia y conducción se puede describir como un modelo de múltiples elipsoides con 6 elipsoides de energía constante que están centrados en los planos de reflexión. [4] El Bi 2 Te 3 se escinde fácilmente a lo largo del eje trigonal debido al enlace de Van der Waals entre átomos de telurio vecinos. Debido a esto, los materiales basados en telururo de bismuto utilizados para aplicaciones de generación de energía o refrigeración deben ser policristalinos. Además, el coeficiente de Seebeck del Bi 2 Te 3 en masa se compensa alrededor de la temperatura ambiente, lo que obliga a que los materiales utilizados en los dispositivos de generación de energía sean 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 de tipo n tenía un coeficiente de Seebeck mejorado (voltaje por unidad de diferencia de temperatura) de −287 μV/K a 54 °C, [6] Sin embargo, hay que tener en cuenta que el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica tienen una contrapartida: 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 alta conductividad eléctrica de 1,1×10 5 S·m/m 2 con una conductividad térmica reticular muy baja de 1,20 W/(m·K), similar al vidrio común . [8]
El telururo de bismuto es un aislante topológico muy estudiado. Se ha demostrado que sus propiedades físicas cambian con espesores muy reducidos, cuando sus estados superficiales conductores quedan expuestos y aislados. Estas muestras delgadas se obtienen mediante epitaxia o exfoliación mecánica.
Los métodos de crecimiento epitaxial, como la epitaxia de haz molecular y la deposición química en fase de vapor de compuestos organometálicos, son métodos comunes para obtener muestras delgadas de Bi2Te3 . La estequiometría de las muestras obtenidas mediante dichas técnicas puede variar en gran medida entre experimentos, por lo que a menudo se utiliza la espectroscopia Raman para determinar la pureza relativa. Sin embargo, las muestras delgadas de Bi2Te3 son resistentes a la espectroscopia Raman debido a su bajo punto de fusión y a su escasa dispersión del calor. [9]
La estructura cristalina del Bi 2 Te 3 permite la exfoliación mecánica de muestras delgadas mediante la escisión 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 retirando cinta adhesiva de muestras sucesivamente más delgadas. Este procedimiento se ha utilizado para obtener láminas de Bi 2 Te 3 con un espesor de 1 nm. [10] Sin embargo, este proceso puede dejar cantidades significativas de residuos adhesivos en un sustrato estándar de Si/SiO 2 , lo que a su vez oscurece las mediciones de microscopía de fuerza atómica e inhibe la colocación de contactos en el sustrato para fines de prueba. Las técnicas de limpieza comunes, como el plasma de oxígeno, la acetona hirviendo y el alcohol isopropílico , son ineficaces para eliminar los residuos. [11]
La forma mineral de Bi 2 Te 3 es la telurobismutita , que es moderadamente rara. [12] [13] Existen muchos telururos de bismuto naturales de diferente estequiometría , así como compuestos del sistema Bi-Te-S-(Se), como Bi 2 Te 2 S ( tetradimita ). Estos telururos de bismuto son parte del grupo de minerales de la tetradimita. [14]
El telururo de bismuto se puede preparar simplemente sellando polvos mezclados de bismuto y telurio metálico en un tubo de cuarzo al vacío (algo fundamental, ya que una muestra no sellada o con fugas puede explotar en un horno) y calentándolo a 800 °C en un horno de mufla .
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