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Sulfuro de tantalio (IV)

El sulfuro de tantalio (IV) es un compuesto inorgánico con la fórmula Ta S 2 . Es un compuesto en capas con centros de sulfuro de tres coordenadas y centros metálicos prismáticos u octaédricos trigonales. [2] Es estructuralmente similar al disulfuro de molibdeno MoS 2 y a muchos 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 grupos 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 1T-TaS2: onda de densidad de carga proporcional (CCDW), onda de densidad de carga casi proporcional (NCCDW) y onda de densidad de carga inconmensurada (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 los dos, ya que los grupos de SOD están confinados dentro de áreas de forma casi hexagonal. La transición de fase de 1T-TaS2 podría lograrse mediante 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 dicalcogenuro 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 mostrar una 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] Cuando se enfría a 550 K, 1T-TaS2 pasa de metálico a ICCDW, luego el material alcanza 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 elevando la temperatura, podría aparecer otra fase entre la fase CCDW y la fase NCCDW. La Onda Triclínica de Densidad de Carga (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 de átomos. Cuando se calienta 1T-TaS2 a una temperatura más baja, la primera transición es de CCDW a TCDW a 220K; Luego, continúe calentando el material por encima de 280 K, la fase del material transita a NCCDW. [9] [10] También es superconductor bajo presión o tras dopaje, con un diagrama de fase familiar en forma de cúpula en función del dopante o concentración de elemento isovalente sustituido.

Metaestabilidad. 1T-TaS 2 es único, no sólo 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 estado metálico se puede lograr ópticamente o mediante la aplicación de impulsos 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 tensión. La conmutación entre estados inducida eléctricamente es de gran interés porque puede utilizarse en dispositivos de memoria ultrarrápidos y energéticamente eficientes. [12]

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

Preparación

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]

TaS 2 + 2 I 2 ⇌ TaI 4 + 2 S

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

Propiedades

Se conocen tres fases cristalinas principales para TaS 2 : trigonal 1T con una hoja de S-Ta-S por celda unitaria , hexagonal 2H con dos hojas de S-Ta-S y romboédrica 3R con tres hojas de 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 hoja S-Ta-S más que por la estructura de la hoja. [17]

El 2H-TaS 2 es un superconductor con una temperatura de transición total T C = 0,5 K, que aumenta a 2,2 K en escamas con un espesor de unas pocas capas atómicas. [15] El valor total de T C aumenta hasta ~8 K a 10 GPa y luego se satura al aumentar la presión. [18] En contraste, 1T-TaS 2 comienza a ser superconductor solo a ~2 GPa; en 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, 1T-TaS 2 es un aislante Mott . [8] Al calentarse, cambia a un estado de onda de densidad de carga triclínica (TCDW) en T TCDW ~ 220 K, [19] [20] [21] a un estado de onda de densidad de carga casi proporcional (NCCDW) en T NCCDW ~ 280 K , [2] a un estado CDW inconmensurable (ICCDW) en T ICCDW ~ 350 K, [2] y a un estado metálico en TM ~ 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 (por ejemplo, 50 fs) [11] o pulsos de voltaje (~2–3 V) a través de electrodos [22] o en un microscopio de efecto túnel (STM) al estado CDW hace que disminuya la resistencia eléctrica y crea un " mosaico" o estado de dominio que consta de dominios de tamaño nanométrico, donde tanto los dominios como sus paredes exhiben conductividad metálica. Esta estructura de mosaico es metaestable y desaparece gradualmente al calentarse. [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 en GHz impulsada térmicamente del estado CDW. [24] [25]

Referencias

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