stringtranslate.com

Sulfuro de tantalio (IV)

El sulfuro de tantalio (IV) es un compuesto inorgánico con la fórmula Ta S 2 . Es un compuesto estratificado con centros de sulfuro de tres coordenadas y centros metálicos prismáticos trigonales u octaédricos. [2] Es estructuralmente similar al disulfuro de molibdeno MoS 2 y a numerosos otros dicalcogenuros de metales de transición . El disulfuro de tantalio tiene tres polimorfos 1T-TaS2, 2H-TaS2 y 3R-TaS2, que representan trigonal, hexagonal y romboédrico respectivamente.

Se han descrito las propiedades del politipo 1T-TaS 2. [3] [4] [5]

CDW, la distorsión periódica inducida por la interacción electrón-fonón, [6] se manifiesta por la formación de una superred constituida por cúmulos de 13 átomos, que se llama Estrella de David (SOD), donde los 12 átomos de Ta circundantes se mueven ligeramente hacia el centro de la estrella. [7] Hay tres fases de onda de densidad de carga de 1T-TaS2: onda de densidad de carga conmensurada (CCDW), onda de densidad de carga casi conmensurada (NCCDW) y onda de densidad de carga inconmensurable (ICCDW). En la fase CCDW, todo el material está cubierto por la superred, pero en la fase ICCDW, los átomos no se mueven. NCCDW es la fase entre las dos, ya que los cúmulos de SOD están confinados dentro de las áreas de forma casi hexagonal. La transición de fase de 1T-TaS2 podría lograrse a través de la diferencia de temperatura, ya que es uno de los métodos más investigados para lograr la transición de fase del material. Al igual que muchos otros compuestos de dicalcogenuros de metales de transición (TMD), que son metálicos a altas temperaturas, exhibe una serie de transiciones de fase de onda de densidad de carga (CDW) de 550 K a 50 K. Es inusual entre ellos al mostrar un estado aislante de baja temperatura por debajo de 200 K, que se cree que surge de correlaciones electrónicas, similar a muchos óxidos. El estado aislante se atribuye comúnmente a un estado de Mott. [8] Al enfriarse a 550 K, 1T-TaS2 pasa de metálico a ICCDW, luego el material logra NCCDW cuando se enfría por debajo de 350 K y finalmente ingresa a CCDW por debajo de 180 K. Sin embargo, si el cambio de temperatura se logra aumentando la temperatura, podría aparecer otra fase entre la fase CCDW y la fase NCCDW. La onda de densidad de carga triclínica (TCDW) es nuevamente el estado híbrido entre CCDW e ICCDW, la diferencia es que en lugar de formar un área hexagonal cerrada, el material forma tiras con diferentes desplazamientos atómicos. Cuando 1T-TaS2 se calienta a una temperatura más baja, la primera transición es de CCDW a TCDW a 220 K; luego, si se continúa calentando el material por encima de los 280 K, la fase del material transita a NCCDW. [9] [10] También es superconductor bajo presión o al doparse, con un diagrama de fase familiar en forma de domo en función del dopante o la concentración de elementos isovalentes sustituidos.

Metaestabilidad. El 1T-TaS 2 es único, no solo entre los TMD sino también entre los "materiales cuánticos" en general, al mostrar un estado metálico metaestable a bajas temperaturas. [11] El cambio del estado aislante al metálico se puede lograr de forma óptica o mediante la aplicación de pulsos eléctricos. El estado metálico es persistente por debajo de ~20 K, pero su vida útil se puede ajustar cambiando la temperatura. La vida útil del estado metaestable también se puede ajustar mediante la deformación. El cambio entre estados inducido eléctricamente es de interés actual, porque se puede utilizar para dispositivos de memoria ultrarrápidos y energéticamente eficientes. [12]

Debido a la disposición triangular frustrada de los electrones localizados, se sospecha que el material admite alguna forma de estado líquido de espín cuántico. Ha sido objeto de numerosos estudios como anfitrión de la intercalación de donantes de electrones. [13]

Preparación

El TaS 2 se prepara mediante la reacción de tantalio en polvo y azufre a ~900 °C. [15] Se purifica y cristaliza mediante transporte químico de vapor utilizando yodo como agente transportador: [16]

TaS2 + 2I2⇌TaI4 + 2S​​

Se puede desintegrar fácilmente y tiene un brillo dorado característico. Tras una exposición prolongada al aire, se forma una capa de óxido que provoca el oscurecimiento de la superficie. Se pueden preparar películas delgadas mediante deposición química en fase de vapor y epitaxia de haz molecular.

Propiedades

Se conocen tres fases cristalinas principales para TaS 2 : 1T trigonal con una lámina S-Ta-S por celda unitaria , 2H hexagonal con dos láminas S-Ta-S y 3R romboédrica con tres láminas S-Ta-S por celda; también se observan fases 4H y 6R, pero con menor frecuencia. Estos polimorfos se diferencian principalmente por la disposición relativa de la lámina S-Ta-S en lugar de la estructura de la lámina. [17]

El 2H-TaS 2 es un superconductor con una temperatura de transición volumétrica T C = 0,5 K, que aumenta hasta 2,2 K en copos con un espesor de unas pocas capas atómicas. [15] El valor de T C aumenta hasta ~8 K a 10 GPa y luego se satura con el aumento de la presión. [18] Por el contrario, el 1T-TaS 2 comienza a ser superconductor solo a ~2 GPa; como función de la presión, su T C aumenta rápidamente hasta 5 K a ~4 GPa y luego se satura. [8]

A presión ambiente y bajas temperaturas, el 1T-TaS 2 es un aislante de Mott . [8] Al calentarse, cambia a un estado de onda de densidad de carga triclínica (TCDW) a T TCDW ~ 220 K, [19] [20] [21] a un estado de onda de densidad de carga casi conmensurable (NCCDW) a T NCCDW ~ 280 K, [2] a un estado de CDW inconmensurable (ICCDW) a T ICCDW ~ 350 K, [2] y a un estado metálico a T M ~ 600 K. [14]

En el estado CDW, la red TaS 2 se deforma para crear un patrón periódico de estrella de David . La aplicación de pulsos de láser óptico (p. ej., 50 fs) [11] o pulsos de voltaje (~2–3 V) a través de electrodos [22] o en un microscopio de efecto túnel de barrido (STM) al estado CDW hace que disminuya la resistencia eléctrica y crea un estado de "mosaico" o dominio que consiste en dominios de tamaño nanométrico, donde tanto los dominios como sus paredes exhiben conductividad metálica. Esta estructura de mosaico es metaestable y desaparece gradualmente con el calentamiento. [16] [23] [22]

Dispositivos de memoria y otras aplicaciones potenciales

La conmutación del material hacia y desde el "mosaico" o estado de dominio mediante pulsos ópticos o eléctricos se utiliza para dispositivos de "memoria de configuración de carga" (CCM). La característica distintiva de estos dispositivos es que presentan una conmutación de resistencia no térmica muy eficiente y rápida a bajas temperaturas. [12] Se ha demostrado el funcionamiento a temperatura ambiente de un oscilador de onda de densidad de carga y la modulación de GHz impulsada térmicamente del estado CDW. [24] [25]

Referencias

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Disulfuro de tantalio .


  1. ^ abcde Haynes, William M., ed. (2011). Manual de química y física del CRC (92.ª edición). Boca Raton, FL: CRC Press . pág. 4.93. ISBN 1-4398-5511-0.
  2. ^ abc Wilson, JA; Di Salvo, FJ; Mahajan, S. (1975). "Ondas de densidad de carga y superredes en los dicalcogenuros de metales de transición en capas metálicas". Avances en Física . 24 (2): 117–201. doi :10.1080/00018737500101391.
  3. ^ Williams, PM; Parry, GS; Scrub, CB (1974). "Evidencia de difracción para la anomalía de Kohn en 1T TaS2". Revista filosófica . 29 (3): 695–699. Código Bibliográfico :1974PMag...29..695W. doi :10.1080/14786437408213248. ISSN  0031-8086.
  4. ^ Grant, AJ; Griffiths, TM; Yoffe, AD; Pitt, GD (21 de julio de 1974). "Transiciones metal-metal y semimetal inducidas por presión en 1T y 2H TaS2". Journal of Physics C: Solid State Physics . 7 (14): L249–L253. Bibcode :1974JPhC....7L.249G. doi :10.1088/0022-3719/7/14/001. ISSN  0022-3719.
  5. ^ Duffey, JR; Kirby, RD; Coleman, RV (1976). "Dispersión Raman de 1T-TaS2". Comunicaciones de estado sólido . 20 (6): 617–621. doi :10.1016/0038-1098(76)91073-5. ISSN  0038-1098.
  6. ^ Rossnagel, K (11 de mayo de 2011). "Sobre el origen de las ondas de densidad de carga en dicalcogenuros de metales de transición estratificados seleccionados". Journal of Physics: Condensed Matter . 23 (21): 213001. Bibcode :2011JPCM...23u3001R. doi :10.1088/0953-8984/23/21/213001. ISSN  0953-8984. PMID  21558606. S2CID  11260341.
  7. ^ Shao, DF; Xiao, RC; Lu, WJ; Lv, HY; Li, JY; Zhu, XB; Sun, YP (14 de septiembre de 2016). "Manipulación de ondas de densidad de carga en<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>T</mml:mi><mml:mtext>−</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>TaS</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math>mediante dopaje de portadores de carga: una investigación de primeros principios". Physical Review B . 94 (12): 125126. arXiv : 1512.06553 . doi :10.1103/physrevb.94.125126. ISSN  2469-9950. S2CID  118471561.
  8. ^ abc Sipos, B.; Kusmartseva, AF; Akrap, A.; Berger, H.; Forró, L.; Tutiš, E. (2008). "Del estado de Mott a la superconductividad en 1T-TaS2". Nature Materials . 7 (12): 960–5. Bibcode :2008NatMa...7..960S. doi :10.1038/nmat2318. PMID  18997775. S2CID  205402097.
  9. ^ Wang, YD; Yao, WL; Xin, ZM; Han, TT; Wang, ZG; Chen, L.; Cai, C.; Li, Yuan; Zhang, Y. (2020-08-24). "Transición de aislante de banda a aislante de Mott en 1T-TaS2". Nature Communications . 11 (1): 4215. doi : 10.1038/s41467-020-18040-4 . ISSN  2041-1723. PMC 7445232 . PMID  32839433. 
  10. ^ Burk, B.; Thomson, RE; Clarke, John; Zettl, A. (17 de julio de 1992). "Estructura de onda de densidad de carga superficial y volumétrica en 1 T-TaS2". Science . 257 (5068): 362–364. Bibcode :1992Sci...257..362B. doi :10.1126/science.257.5068.362. ISSN  0036-8075. PMID  17832831. S2CID  8530734.
  11. ^ ab Stojchevska, L.; Vaskivskyi, I.; Mertelj, T.; Kusar, P.; Svetin, D.; Brazovskii, S.; Mihailovic, D. (2014). "Cambio ultrarrápido a un estado cuántico oculto estable en un cristal electrónico". Science . 344 (6180): 177–180. arXiv : 1401.6786 . Bibcode :2014Sci...344..177S. doi :10.1126/science.1241591. ISSN  0036-8075. PMID  24723607. S2CID  206550327.
  12. ^ ab Mihailovic, D.; Svetin, D.; Vaskivskyi, I.; Venturini, R.; Lipovsek, B.; Mraz, A. (2021). "Conmutación térmica y no térmica ultrarrápida en dispositivos de memoria de configuración de carga basados ​​en 1T-TaS2". Appl. Phys. Lett . 119 (1): 013106. Bibcode :2021ApPhL.119a3106M. doi :10.1063/5.0052311. S2CID  237851661.
  13. ^ Revelli, JF; Disalvo, FJ (1995). "Disulfuro de tantalio (TaS 2 ) y sus compuestos de intercalación". Disulfuro de tantalio (TaS 2 ) y sus compuestos de intercalación . Síntesis inorgánica. Vol. 30. págs. 155–169. doi :10.1002/9780470132616.ch32. ISBN 9780470132616.
  14. ^ ab Sung, S.; Schnitzer, N.; Novak, S.; Kourkoutis, L.; Heron, J.; Hovden, R. (2022). "Orden de carga bidimensional estabilizado en heteroestructuras politípicas limpias". Nat. Commun . 13 (1): 413. Bibcode :2022NatCo..13..413S. doi : 10.1038/s41467-021-27947-5 . PMC 8776735 . PMID  35058434. 
  15. ^ ab Navarro-Moratalla, Efrén; Isla, Joshua O.; Mañas-Valero, Samuel; Pinilla-Cienfuegos, Elena; Castellanos-Gómez, Andrés; Quereda, Jorge; Rubio-Bollinger, Gabino; Chirolli, Luca; Silva-Guillén, José Ángel; Agraït, Nicolás; Steele, Gary A.; Guinea, Francisco; Van Der Zant, Herre SJ; Coronado, Eugenio (2016). "Superconductividad mejorada en TaS2 atómicamente delgado". Comunicaciones de la naturaleza . 7 : 11043. arXiv : 1604.05656 . Código Bib : 2016NatCo...711043N. doi : 10.1038/ncomms11043. PMC 5512558 . PMID  26984768. 
  16. ^ ab Cho, Doohee; Cheon, Sangmo; Kim, Ki-Seok; Lee, Sung-Hoon; Cho, Yong-Heum; Cheong, Sang-Wook; Yeom, Han Woong (2016). "Manipulación a nanoescala del estado aislante de Mott acoplado al orden de carga en 1T-TaS2". Nature Communications . 7 : 10453. arXiv : 1505.00690 . Bibcode :2016NatCo...710453C. doi :10.1038/ncomms10453. PMC 4735893 . PMID  26795073. 
  17. ^ Dunnill, Charles W.; MacLaren, Ian; Gregory, Duncan H. (2010). "Nanocintas superconductoras de disulfuro de tantalio; crecimiento, estructura y estequiometría" (PDF) . Nanoscale . 2 (1): 90–7. Bibcode :2010Nanos...2...90D. doi :10.1039/B9NR00224C. PMID  20648369.
  18. ^ Freitas, DC; Rodière, P.; Osorio, MR; Navarro-Moratalla, E.; Nemes, NM; Tissen, VG; Cario, L.; Coronado, E.; García-Hernández, M.; Vieira, S.; Núñez-Regueiro, M.; Suderow, H. (2016). "Fuerte mejora de la superconductividad a altas presiones dentro de los estados de onda de densidad de carga de 2H−TaS 2 y 2H−TaSe 2 ". Physical Review B . 93 (18): 184512. arXiv : 1603.00425 . Código Bibliográfico :2016PhRvB..93r4512F. doi :10.1103/PhysRevB.93.184512. Número de identificación del sujeto  54705510.
  19. ^ Tanda, Satoshi; Sambongi, Takashi; Tani, Toshiro; Tanaka, Shoji (1984). "Estudio de rayos X de la estructura de onda de densidad de carga en 1T-TaS 2 ". J. Phys. Soc. Jpn . 53 (2): 476. Bibcode :1984JPSJ...53..476T. doi :10.1143/JPSJ.53.476.
  20. ^ Tanda, Satoshi; Sambongi, Takashi (1985). "Estudio de rayos X de la nueva fase de onda de densidad de carga en 1T-TaS 2 ". Synthetic Metals . 11 (2): 85–100. doi :10.1016/0379-6779(85)90177-8.
  21. ^ Coleman, RV; Giambattista, B.; Hansma, PK; Johnson, A.; McNairy, WW; Slough, CG (1988). "Microscopía de efecto túnel de barrido de ondas de densidad de carga en calcogenuros de metales de transición". Avances en Física . 37 (6): 559–644. Bibcode :1988AdPhy..37..559C. doi :10.1080/00018738800101439.
  22. ^ ab Vaskivskyi, I.; Gospodaric, J.; Brazovskii, S.; Svetin, D.; Sutar, P.; Goreshnik, E.; Mihailovic, IA; Mertelj, T.; Mihailovic, D. (2014). "Cambio ultrarrápido a un estado cuántico oculto estable en un cristal electrónico". Science . 344 (6180): 177–180. doi : 10.1126/sciadv.1500168 . ISSN  0036-8075. PMC 4646782 . PMID  24723607. 
  23. ^ Mamá, Liguo; Vosotros, Cun; Yu, Yijun; Lu, Xiu Fang; Niu, Xiaohai; Kim, Sejoong; Feng, Donglai; Tománek, David; Hijo, Young Woo; Chen, Xianhui; Zhang, Yuanbo (2016). "Una fase de mosaico metálico y el origen del estado aislante de Mott en 1T-TaS2". Comunicaciones de la naturaleza . 7 : 10956. arXiv : 1507.01312 . Código Bib : 2016NatCo...710956M. doi : 10.1038/ncomms10956. PMC 4792954 . PMID  26961788. 
  24. ^ Liu_et_al, Guanxiong (2016). "Un oscilador de onda de densidad de carga basado en un dispositivo integrado de disulfuro de tantalio-nitruro de boro-grafeno que funciona a temperatura ambiente". Nature Nanotechnology . 11 (10): 845–850. Bibcode :2016NatNa..11..845L. doi :10.1038/nnano.2016.108. PMID  27376243. S2CID  205454331.
  25. ^ Mohammadzadeh_et_al, Amirmahdi (2021). "Evidencia de una transición de onda de densidad de carga impulsada térmicamente en dispositivos de película delgada de 1T-TaS 2 : Perspectivas para la velocidad de conmutación de GHz". Appl. Phys. Lett . 118 (9): 093102. arXiv : 2101.06703 . Código Bibliográfico :2021ApPhL.118i3102M. doi :10.1063/5.0044459. S2CID  231632205.