El telururo de bismuto ( Bi 2 Te 3 ) es un polvo gris que es un compuesto de bismuto y teluro, también conocido como telururo de bismuto (III). Es un semiconductor que, aleado con antimonio o selenio , es un material termoeléctrico eficiente para refrigeración o generación de energía portátil. Bi 2 Te 3 es un aislante topológico y, por tanto, presenta propiedades físicas dependientes del espesor.
El telururo de bismuto es un semiconductor en capas de espacio estrecho con una celda unitaria trigonal. La estructura de bandas de valencia y conducción se puede describir como un modelo multielipsoidal con 6 elipsoides de energía constante centrados en los planos de reflexión. [4] 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 a base de 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 los materiales utilizados en los dispositivos de generación de energía a ser una aleación de bismuto, antimonio, teluro y selenio. [5]
Recientemente, los investigadores han intentado mejorar la eficiencia de los materiales basados en Bi 2 Te 3 creando estructuras en las que una o más dimensiones se reducen, como nanocables o películas delgadas. En uno de esos casos, se demostró que el telururo de bismuto tipo n tiene 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 compensación: 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 su muy baja conductividad térmica reticular de 1,20 W/(m·K), similar al vidrio ordinario . [8]
El telururo de bismuto es un aislante topológico bien estudiado. Se ha demostrado que sus propiedades físicas cambian en espesores muy reducidos, cuando los estados de su superficie conductora están expuestos y aislados. Estas muestras delgadas se obtienen mediante epitaxia o exfoliación mecánica.
Los métodos de crecimiento epitaxial, como la epitaxia por haz molecular y la deposición química de vapor orgánico metálico, son métodos comunes para obtener muestras delgadas de Bi 2 Te 3 . La estequiometría de las muestras obtenidas mediante dichas técnicas puede variar mucho entre experimentos, por lo que la espectroscopia Raman se utiliza a menudo para determinar la pureza relativa. Sin embargo, las muestras delgadas de Bi 2 Te 3 son resistentes a la espectroscopia Raman debido a su bajo punto de fusión y su mala dispersión del calor. [9]
La estructura cristalina de Bi 2 Te 3 permite la exfoliación mecánica de muestras delgadas mediante 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 escamas de Bi 2 Te 3 con un espesor de 1 nm. [10] Sin embargo, este proceso puede dejar cantidades significativas de residuos de adhesivo 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 con fines de prueba. Las técnicas de limpieza comunes, como el plasma de oxígeno, la acetona hirviendo y el alcohol isopropílico, no son efectivas para eliminar los residuos. [11]
La forma mineral de Bi 2 Te 3 es 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 tetradimita. [14]
El telururo de bismuto se puede preparar simplemente sellando polvos mezclados de bismuto y teluro metálico en un tubo de cuarzo al vacío (crítico, ya que una muestra sin sellar o con fugas puede explotar en un horno) y calentándolo a 800 °C en un horno de mufla .
Medios relacionados con el telururo de bismuto en Wikimedia Commons