Сульфид тантала(IV)
 Кристаллическая структура, показывающая два сложенных друг на друга листа S-Ta-S.
| |
| Имена | |
|---|---|
| Другие имена
дисульфид тантала
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| Информационная карта ECHA | 100.032.047 |
ПабХим CID
|
|
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
| Характеристики | |
| ТаС 2 | |
| Молярная масса | 245.078 g/mol [ 1 ] |
| Появление | золотистые или черные кристаллы, в зависимости от политипа [ 1 ] |
| Плотность | 6,86 г/см 3 [ 1 ] |
| Температура плавления | >3000 °С [ 1 ] |
| нерастворимый [ 1 ] | |
| Родственные соединения | |
Другие анионы
|
Теллурид тантала Диселенид тантала |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Сульфид тантала(IV) представляет собой неорганическое соединение формулы Ta S 2 . Это слоистое соединение с трехкоординационными сульфидными центрами и тригонально-призматическими или октаэдрическими металлическими центрами. [ 2 ] Он структурно подобен дисульфиду молибдена MoS 2 и многочисленным дихалькогенидам других переходных металлов . Дисульфид тантала имеет три полиморфные модификации: 1T-TaS2, 2H-TaS2 и 3R-TaS2, представляющие собой тригональную, гексагональную и ромбоэдрическую форму соответственно.
свойства политипа 1T-TaS 2 . Описаны [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
ВЗП — периодическое искажение, вызванное электрон-фононным взаимодействием, [ 6 ] проявляется в образовании сверхрешетки, состоящей из кластеров из 13 атомов, называемой Звездой Давида (СОД), где окружающие 12 атомов Та слегка перемещаются к центру звезды. [ 7 ] Существует три фазы волны зарядовой плотности 1T-TaS2: соизмеримая волна зарядовой плотности (CCDW), почти соизмеримая волна зарядовой плотности (NCCDW) и несоизмеримая волна зарядовой плотности (ICCDW). В фазе CCDW весь материал покрыт сверхрешеткой, но в фазе ICCDW атомы не движутся. NCCDW — это фаза между ними, поскольку кластеры SOD ограничены областями почти шестиугольной формы. Фазовый переход 1T-TaS2 может быть достигнут за счет разницы температур, поскольку это один из наиболее изученных методов достижения фазового перехода материала. Как и многие другие соединения дихалькогенидов переходных металлов (TMD), которые являются металлическими при высоких температурах, он демонстрирует серию фазовых переходов волны зарядовой плотности (ВЗП) от 550 К до 50 К. Среди них необычно проявлять низкотемпературное изолирующее состояние ниже 200 К, которое, как полагают, возникает в результате электронных корреляций, как и во многих оксидах. Изолирующее состояние обычно относят к состоянию Мотта. [ 8 ] При охлаждении до 550 К 1T-TaS2 переходит из металлического состояния в ICCDW, затем материал достигает NCCDW при охлаждении ниже 350 К и, наконец, переходит в CCDW при температуре ниже 180 К. Однако если изменение температуры достигается за счет повышения температуры, между фазой CCDW и фазой NCCDW может появиться другая фаза. Волна триклинной плотности заряда (TCDW) снова представляет собой гибридное состояние между CCDW и ICCDW, разница в том, что вместо формирования замкнутой шестиугольной области материал образует полосы с разными сдвигами атомов. При нагревании 1T-TaS2 при более низкой температуре первый переход происходит от CCDW к TCDW при 220 К; Затем продолжайте нагревать материал выше 280К, фаза материала переходит в NCCDW. [ 9 ] [ 10 ] Он также является сверхпроводящим под давлением или при легировании, со знакомой куполообразной фазовой диаграммой в зависимости от концентрации примеси или замещенного изовалентного элемента.
Метастабильность. 1T-TaS 2 уникален не только среди TMD, но и среди «квантовых материалов» в целом, поскольку демонстрирует метастабильное металлическое состояние при низких температурах. [ 11 ] Переключение из изоляционного состояния в металлическое может быть достигнуто либо оптическим путем, либо применением электрических импульсов. Металлическое состояние сохраняется при температуре ниже ~ 20 К, но его время жизни можно регулировать, изменяя температуру. Время жизни метастабильного состояния также можно регулировать с помощью деформации. Электрически индуцированное переключение между состояниями представляет актуальный интерес, поскольку его можно использовать для сверхбыстрых энергосберегающих устройств памяти. [ 12 ]
Из-за нарушенного треугольного расположения локализованных электронов предполагается, что этот материал поддерживает некоторую форму квантово-спинового жидкого состояния. Он был предметом многочисленных исследований в качестве хозяина для интеркаляции доноров электронов. [ 13 ]
Подготовка
[ редактировать ]-
Образец поликристаллического TaS 2 -
Кристаллы 1T-TaS 2 , выращенные методом транспортной реакции -
(а): Схема звезды Давида в 1T-TaS 2 , где зеленые атомы — это S, а фиолетовые — это Ta. (б) и (в) — изображения СТМ (6,5 К) до и после подачи импульсов 2,8 В через иглу СТМ. На вставках показаны изображения, увеличенные примерно в 10 раз. -
![Изображение 1T-TaS2 с атомным разрешением (298 К). Получено с помощью HAADF STEM. Масштабная линейка 2 нм.[14]](//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6f/Atomic_resolution_image_of_Tantalum_disulfide.png/202px-Atomic_resolution_image_of_Tantalum_disulfide.png)
Изображение 1T-TaS 2 с атомным разрешением (298 К). Получено с использованием HAADF STEM. Масштабная линейка 2 нм. [ 14 ]
![Изображение 1T-TaS2 с атомным разрешением (298 К). Получено с помощью HAADF STEM. Масштабная линейка 2 нм.[14]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6f/Atomic_resolution_image_of_Tantalum_disulfide.png/202px-Atomic_resolution_image_of_Tantalum_disulfide.png)
TaS 2 получают реакцией порошкообразного тантала и серы при ~900 °С. [ 15 ] Его очищают и кристаллизуют методом химического переноса паров с использованием йода в качестве транспортирующего агента: [ 16 ]
- ТаС 2 + 2 И 2 ⇌ ТаИ 4 + 2 С
Он легко расщепляется и имеет характерный золотистый блеск. При длительном воздействии воздуха образование оксидного слоя приводит к потемнению поверхности. Тонкие пленки можно получить методами химического осаждения из паровой фазы и молекулярно-лучевой эпитаксии.
Характеристики
[ редактировать ]известны три основные кристаллические фазы Для TaS 2 : тригональная 1T с одним листом S-Ta-S на элементарную ячейку , гексагональная 2H с двумя листами S-Ta-S и ромбоэдрическая 3R с тремя листами S-Ta-S на ячейку; Фазы 4H и 6R также наблюдаются, но реже. Эти полиморфы в основном различаются относительным расположением листа S-Ta-S, а не структурой листа. [ 17 ]
2H-TaS 2 — сверхпроводник с температурой объемного перехода T C = 0,5 К, которая возрастает до 2,2 К в чешуйках толщиной в несколько атомных слоев. [ 15 ] Объемное значение T C возрастает до ~8 К при 10 ГПа, а затем выходит на насыщение с ростом давления. [ 18 ] Напротив, 1T-TaS 2 начинает сверхпроводимость только при ~2 ГПа; в зависимости от давления его Т С быстро возрастает до 5 К при ~4 ГПа, а затем выходит на насыщение. [ 8 ]
При атмосферном давлении и низких температурах 1T-TaS 2 является изолятором Мотта . [ 8 ] При нагревании он переходит в состояние триклинной волны зарядовой плотности (ТЗЗП) при Т ТЗЗВ ~ 220 К, [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] до почти соизмеримого состояния волны зарядовой плотности (NCCDW) при T NCCDW ~ 280 К, [ 2 ] в состояние несоизмеримой ВЗП (ICCDW) при T ICCDW ~ 350 К, [ 2 ] и в металлическое состояние при Т М ~ 600 К. [ 14 ]
В состоянии CDW решетка TaS 2 деформируется, создавая периодический узор Звезды Давида . Применение оптических лазерных импульсов (например, 50 фс) [ 11 ] или импульсы напряжения (~2–3 В) через электроды [ 22 ] или в сканирующем туннельном микроскопе (СТМ) в состояние ВЗП приводит к падению электрического сопротивления и созданию «мозаики» или доменного состояния, состоящего из доменов нанометрового размера, где и домены, и их стенки обладают металлической проводимостью. Эта мозаичная структура метастабильна и постепенно исчезает при нагревании. [ 16 ] [ 23 ] [ 22 ]
Устройства памяти и другие потенциальные приложения
[ редактировать ]Переключение материала в «мозаичное» или доменное состояние и обратно с помощью оптических или электрических импульсов используется для устройств «памяти конфигурации заряда» (CCM). Отличительной особенностью таких устройств является то, что они демонстрируют очень эффективное и быстрое переключение нетеплового сопротивления при низких температурах. [ 12 ] Продемонстрирована работа генератора волн зарядовой плотности при комнатной температуре и термоуправляемая ГГц-модуляция состояния ВЗП. [ 24 ] [ 25 ]
Ссылки
[ редактировать ]
- ^ Перейти обратно: а б с д и Хейнс, Уильям М., изд. (2011). Справочник CRC по химии и физике (92-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press . п. 4.93. ISBN 1-4398-5511-0 .
- ^ Перейти обратно: а б с Уилсон, Дж.А.; Ди Сальво, Ф.Дж.; Махаджан, С. (1975). «Волны зарядовой плотности и сверхрешетки в металлических слоистых дихалькогенидах переходных металлов». Достижения физики . 24 (2): 117–201. дои : 10.1080/00018737500101391 .
- ^ Уильямс, премьер-министр; Парри, GS; Скраб, CB (1974). «Дифракционные доказательства аномалии Кона в 1T TaS 2 » . Философский журнал . 29 (3): 695–699. Бибкод : 1974PMag...29..695W . дои : 10.1080/14786437408213248 . ISSN 0031-8086 .
- ^ Грант, Эй Джей; Гриффитс, ТМ; Йоффе, А.Д.; Питт, Джордж (21 июля 1974 г.). «Переходы полуметалл-металл и металл-металл под давлением в 1T и 2H TaS 2 » . Журнал физики C: Физика твердого тела . 7 (14): Л249–Л253. Бибкод : 1974JPhC....7L.249G . дои : 10.1088/0022-3719/14.07.001 . ISSN 0022-3719 .
- ^ Даффи-младший; Кирби, РД; Коулман, Р.В. (1976). «Комбинационное рассеяние света на 1T-TaS2» . Твердотельные коммуникации . 20 (6): 617–621. дои : 10.1016/0038-1098(76)91073-5 . ISSN 0038-1098 .
- ^ Росснагель, К. (11 мая 2011 г.). «О происхождении волн зарядовой плотности в некоторых слоистых дихалькогенидах переходных металлов» . Физический журнал: конденсированное вещество . 23 (21): 213001. Бибкод : 2011JPCM...23u3001R . дои : 10.1088/0953-8984/23/21/213001 . ISSN 0953-8984 . ПМИД 21558606 . S2CID 11260341 .
- ^ Шао, DF; Сяо, RC; Лу, WJ; Лев, HY; Ли, JY; Чжу, XB; Сан, Ю.П. (14 сентября 2016 г.). «Управление волнами плотности заряда в <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>1</ml: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>путем допинга носителей заряда: исследование из первых принципов» . Физический обзор B . 94 (12): 125126. arXiv : 1512.06553 . дои : 10.1103/physrevb.94.125126 . ISSN 2469-9950 . S2CID 118471561 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сипос, Б.; Кусмарцева А.Ф.; Акрап, А.; Бергер, Х.; Форро, Л.; Тутиш, Э. (2008). «От состояния Мотта к сверхпроводимости в 1T-TaS 2 » . Природные материалы . 7 (12): 960–5. Бибкод : 2008NatMa...7..960S . дои : 10.1038/nmat2318 . ПМИД 18997775 . S2CID 205402097 .
- ^ Ван, Ю.Д.; Яо, WL; Синь, З.М.; Хан, ТТ; Ван, З.Г.; Чен, Л.; Кай, К.; Ли, Юань; Чжан Ю. (24 августа 2020 г.). «Переход от ленточного изолятора к изолятору Мотта в 1T-TaS2» . Природные коммуникации . 11 (1): 4215. doi : 10.1038/s41467-020-18040-4 . ISSN 2041-1723 . ПМЦ 7445232 . ПМИД 32839433 .
- ^ Берк, Б.; Томсон, Р.Э.; Кларк, Джон; Зеттл, А. (17 июля 1992 г.). «Волновая структура поверхностной и объемной плотности заряда в 1 T-TaS2» . Наука . 257 (5068): 362–364. Бибкод : 1992Sci...257..362B . дои : 10.1126/science.257.5068.362 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17832831 . S2CID 8530734 .
- ^ Перейти обратно: а б Стойчевска, Л.; Васьковский И.; Мертель, Т.; Кусар, П.; Светин Д.; Бразовский С.; Михайлович, Д. (2014). «Сверхбыстрый переход в стабильное скрытое квантовое состояние в электронном кристалле». Наука . 344 (6180): 177–180. arXiv : 1401.6786 . Бибкод : 2014Sci...344..177S . дои : 10.1126/science.1241591 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 24723607 . S2CID 206550327 .
- ^ Перейти обратно: а б Михайлович, Д.; Светин Д.; Васьковский И.; Вентурини, Р.; Липовсек, Б.; Мраз, А. (2021). «Сверхбыстрое безтепловое и тепловое переключение в устройствах памяти конфигурации заряда на базе 1T-TaS2». Прил. Физ. Летт . 119 (1): 013106. Бибкод : 2021ApPhL.119a3106M . дои : 10.1063/5.0052311 . S2CID 237851661 .
- ^ Ревелли, Дж. Ф.; Дисалво, Ф.Дж. (1995). «Дисульфид тантала (TaS 2 ) и его интеркаляционные соединения». Дисульфид тантала (TaS 2 ) и его интеркаляционные соединения . Неорганические синтезы. Том. 30. С. 155–169. дои : 10.1002/9780470132616.ch32 . ISBN 9780470132616 .
- ^ Перейти обратно: а б Сун, С.; Шнитцер, Н.; Новак, С.; Куркутис, Л.; Херон, Дж.; Ховден, Р. (2022). «Двумерный зарядовый порядок, стабилизированный в чистых политипных гетероструктурах» . Нат. Коммун . 13 (1): 413. Бибкод : 2022NatCo..13..413S . дои : 10.1038/s41467-021-27947-5 . ПМЦ 8776735 . PMID 35058434 .
- ^ Перейти обратно: а б Наварро-Мораталла, Эфрен; Остров, Джошуа О.; Маньяс-Валеро, Самуэль; Пинилья-Сьенфуэгос, Елена; Кастельянос-Гомес, Андрес; Кереда, Хорхе; Рубио-Боллинджер, Габино; Чиролли, Лука; Сильва-Гильен, Хосе Анхель; Аграит, Николас; Стил, Гэри А.; Гвинея, Франциско; Ван дер Зант, Херре С.Дж.; Коронадо, Эухенио (2016). «Повышенная сверхпроводимость в атомарно тонком TaS 2 » . Природные коммуникации . 7 : 11043. arXiv : 1604.05656 . Бибкод : 2016NatCo...711043N . дои : 10.1038/ncomms11043 . ПМК 5512558 . ПМИД 26984768 .
- ^ Перейти обратно: а б Чо, Духи; Чхон, Сангмо; Ким, Ки-Сок; Ли, Сон Хун; Чо, Ён-Хым; Чонг, Сан-Вук; Ём, Хан Ун (2016). «Наномасштабное манипулирование изолирующим состоянием Мотта, связанное с порядком заряда в 1T-TaS 2 » . Природные коммуникации . 7 : 10453. arXiv : 1505.00690 . Бибкод : 2016NatCo...710453C . дои : 10.1038/ncomms10453 . ПМЦ 4735893 . ПМИД 26795073 .
- ^ Даннилл, Чарльз В.; Макларен, Ян; Грегори, Дункан Х. (2010). «Сверхпроводящие наноленты дисульфида тантала; рост, структура и стехиометрия» (PDF) . Наномасштаб . 2 (1): 90–7. Бибкод : 2010Nanos...2...90D . дои : 10.1039/B9NR00224C . ПМИД 20648369 .
- ^ Фрейтас, округ Колумбия; Родьер, П.; Осорио, MR; Наварро-Мораталла, Э.; Немес, Нью-Мексико; Тиссен, В.Г.; Карио, Л.; Коронадо, Э.; Гарсиа-Эрнандес, М.; Виейра, С.; Нуньес-Регейро, М.; Судеров, Х. (2016). «Сильное усиление сверхпроводимости при высоких давлениях в состояниях волны зарядовой плотности 2H-TaS 2 и 2H-TaSe 2 ». Физический обзор B . 93 (18): 184512. arXiv : 1603.00425 . Бибкод : 2016PhRvB..93r4512F . дои : 10.1103/PhysRevB.93.184512 . S2CID 54705510 .
- ^ Танда, Сатоши; Самбонги, Такаши; Тани, Тосиро; Танака, Сёдзи (1984). «Рентгеновское исследование волновой структуры зарядовой плотности в 1T-TaS 2 ». Дж. Физ. Соц. Япония . 53 (2): 476. Бибкод : 1984JPSJ...53..476T . дои : 10.1143/JPSJ.53.476 .
- ^ Танда, Сатоши; Самбонги, Такаши (1985). «Рентгеновское исследование новой фазы волны зарядовой плотности в 1T-TaS 2 ». Синтетические металлы . 11 (2): 85–100. дои : 10.1016/0379-6779(85)90177-8 .
- ^ Коулман, Р.В.; Джамбаттиста, Б.; Хансма, ПК; Джонсон, А.; МакНейри, WW; Слау, CG (1988). «Сканирующая туннельная микроскопия волн зарядовой плотности в халькогенидах переходных металлов». Достижения физики . 37 (6): 559–644. Бибкод : 1988AdPhy..37..559C . дои : 10.1080/00018738800101439 .
- ^ Перейти обратно: а б Васьковский И.; Господирич, Ж .; Бразовский С.; Светин Д.; Сутар, П.; Горешник Е.; Михайлович, И.А.; Мертель, Т.; Михайлович, Д. (2014). «Сверхбыстрый переход в устойчивое скрытое квантовое состояние в электронном кристалле» . Наука . 344 (6180): 177–180. дои : 10.1126/sciadv.1500168 . ISSN 0036-8075 . ПМЦ 4646782 . ПМИД 24723607 .
- ^ Ма, Лигуо; Ю, Ицзюнь; Лу, Сю Фанг; Ким, Седжун; Дунлай, Дэвид; Сон, Ён-Ву; Чжан Хуэй (2016). «Металлическая мозаичная фаза происхождение моттовского изоляционного состояния в 1T-TaS 2 » . Nature . Communications и arXiv : 1507.01312 . Бибкод : 2016NatCo...710956M . doi : 10.1038/ . PMC 4792954. . PMID 26961788 ncomms10956
- ^ Лю_et_al, Гуаньсюн (2016). «Генератор волн зарядовой плотности на основе интегрированного устройства дисульфид тантала – нитрида бора – графена, работающего при комнатной температуре». Природные нанотехнологии . 11 (10): 845–850. Бибкод : 2016НатНа..11..845Л . дои : 10.1038/nnano.2016.108 . ПМИД 27376243 . S2CID 205454331 .
- ^ Мохаммадзаде_ет_ал, Амирмахди (2021). «Доказательства термического перехода заряд-волна плотности в тонкопленочных устройствах 1T-TaS 2: перспективы скорости переключения в ГГц». Прил. Физ. Летт . 118 (9): 093102. arXiv : 2101.06703 . Бибкод : 2021АпФЛ.118и3102М . дои : 10.1063/5.0044459 . S2CID 231632205 .