Refinement of the phase diagram of the MnSe–In2Se3 system and the crystal structures of MnIn2Se4 and Mn2In2Se5 compounds

Фаик Мамедага Мамедов; Самира Закир Имамалиева; Эльнара Надир Исмаилова; Имамеддин Раджабали Амирасланов; Эльдар Иса Ахмедов; Магомед Баба Бабанлы

doi:10.17308/kcmf.2025.27/12487

Фаик Мамедага Мамедов Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан; Азербайджанский государственный педагогический университет, ул. У. Гаджибейли, 68, Баку AZ-1000, Азербайджан https://orcid.org/0000-0003-3317-7438
Самира Закир Имамалиева Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан https://orcid.org/0000-0001-8193-2122
Эльнара Надир Исмаилова Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан https://orcid.org/0000-0002-1327-1753
Имамеддин Раджабали Амирасланов Институт физики, пр. Г. Джавида, 131, Баку AZ-1143, Азербайджан https://orcid.org/0000-0001-7975-614X
Эльдар Иса Ахмедов Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, Баку AZ-1148, Азербайджан
Магомед Баба Бабанлы Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан; Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, Баку AZ-1148, Азербайджан https://orcid.org/0000-0001-5962-3710

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12487

Ключевые слова: селениды марганца-индия, фазовые равновесия, область гомогенности, кристаллическая структура, метод Ритвельда

Аннотация

Сложные халькогениды на основе переходных элементов, в частности, тройные соединения типа АВ₂Х₄ (М = Mn, Fe, Co, Ni; B = Ga, In, Sb, Bi; X = S, Se, Te) относятся к числу важных функциональных материалов. Соединениям этого класса присущи явления электронно- или оптически управляемого магнетизма и они весьма перспективны для создания лазеров, модуляторов света, фотодетекторов и др. функциональных устройств, управляемых магнитным полем. Исследования последних лет показали, что эти соединения могут найти применение также в фотокатализе, фотогальванике и термоэлектрических преобразователях.

В работе представлены новые данные по фазовым равновесиям в системе MnSe–In₂Se3, полученные методами дифференциального термического, рентгенофазового анализов и сканирующей электронной микроскопии. Установлено, что в системе образуются два тройных соединения – MnIn₂Se₄ с конгруэнтным плавлением при 1193 K и Mn₂In₂Se₅, плавящееся инконгруэнтно при 1196 К. Первое является фазой переменного состава и имеет 5–6 мол. % область гомогенности в сторону избытка In₂Se₃. По данным порошковых дифракционных данных методом Ритвельда уточнены кристаллические структуры и параметры решетки обоих тройных соединений

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Фаик Мамедага Мамедов, Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан; Азербайджанский государственный педагогический университет, ул. У. Гаджибейли, 68, Баку AZ-1000, Азербайджан

PhD по химии, доцент, вед. н. с., Институт катализа и неорганической химии (Баку, Азербайджан)

Самира Закир Имамалиева, Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан

д. х. н., доцент, гл. н. с., Институт катализа и неорганической химии (Баку, Азербайджан)

Эльнара Надир Исмаилова, Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан

аспирант, н. с., Институт катализа и неорганической химии (Баку, Азербайджан)

Имамеддин Раджабали Амирасланов, Институт физики, пр. Г. Джавида, 131, Баку AZ-1143, Азербайджан

д. ф. н., профессор, заведующий лабораторией, Институт физики (Баку, Азербайджан)

Эльдар Иса Ахмедов, Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, Баку AZ-1148, Азербайджан

д. х. н., профессор, кафедра физической химии, Бакинский государственный университет (Баку, Азербайджан)

Магомед Баба Бабанлы, Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида, 113, Баку AZ-1143, Азербайджан; Бакинский государственный университет, ул. З. Халилова, 23, Баку AZ-1148, Азербайджан

д. х. н., профессор, член-корреспондент, заместитель директора по научной работе, Институт катализа и неорганической химии НАН Азербайджана, (Баку, Азербайджан)

Литература

Wyżga P., Veremchuk I., Bobnar M., Hennig C., Jasper A. L., Gumeniuk R. Ternary MIn2S4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) thiospinels – crystal structure and thermoelectric properties. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 2020;646(14): 1091. https://doi.org/10.1002/zaac.202000014

Karthikeyan N., Aravindsamy G., Balamurugan P., Sivakumar K. Thermoelectric properties of layered type FeIn2Se4 chalcogenide compound. Materials Research Innovations. 2018;22(5): 278. https://doi.org/10.1080/14328917.2017.1314882

Hyunjung K., Tiwari A. P., Hwang E., … Hyoyoung L. FeIn2S4 nanocrystals: a ternary metal chalcogenide aterial for ambipolar field-effect transistors. Advanced Science. 2018;5(7): 1800068. https://doi.org/10.1002/advs.201800068

Yang J., Zhou Z., Fang J., … Wei Z. Magnetic and transport properties of a ferromagnetic layered semiconductor MnIn2Se4. Applied Physics Letters. 2019;115(22): 222101. https://doi.org/10.1063/1.5126233

Myoung B. R., Lim J. T., Kim C. S. Investigation of magnetic properties on spin-ordering effects of FeGa2S4 and FeIn2S4. Journals of Magnetism and Magnetic Materials. 2017;438: 121. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.04.056

Ranmohotti K. G. S., Djieutedjeu H., Lopez J., … Poudeu P. F. P. Coexistence of high-T c herromagnetism and n-type electrical conductivity in FeBi2Se4. Journal of the American Chemical Society. 2015;137(2): 691–698. https://doi.org/10.1021/ja5084255

Guratinder K., Schmidt M., Walker H. C., … Zaharko O. Magnetic correlations in the triangular antiferromagnet FeGa2S4. Physical Review B. 2021;104: 064412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.064412

Romero L., Pacheco J., Cadenas R. Calculation of the lattice energy and the energy gap of the magnetic demiconductor MnGa2Se4 using Hartree-Fock and density functional theory methods. Revista Mexicana de F ısica. 2016;62(6): 526–529. Режим доступа: https://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0035-001X2016000600526

Verchenko V. Yu., Kanibolotskiy A.V., Bogach A. V., Znamenkova K. O., Shevelkov A. V. Ferromagnetic orrelations in the layered van der Waals sulfide FeAl2S4. Dalton Transactions. 2022;51(21): 8454–8460. https://doi.org/10.1039/d2dt00671e

Hwang Y., Choi J., Ha Y., Cho S., Park H. Electronic and optical properties of layered chalcogenide FeIn2Se4. Current Applied Physics. 2020;20(1): 212–218. https://doi.org/10.1016/j.cap.2019.11.005

Pauliukavets S. A., Bychek I. V., Patapovich M. P. Specific features of the growth, structure, and main hysicochemical properties of FeGa2Se4 single crystals. Inorganic Materials: Applied Research. 2018;9(2): 207–211. https://doi.org/10.1134/S2075113318020223

Chernoukhov I. V., Bogach A. V., Cherednichenko K. A., Gashigullin R. A., Shevelkov A. V., Verchenko V. Yu. Mn2Ga2S5 and Mn2Al2Se5 van der Waals chalcogenides: a source of atomically thin nanomaterials. Molecules. 2024;29(9): 12. https://doi.org/10.3390/molecules29092026

Verchenko Yu. V., Kanibolotskiy A.V., Chernoukhov I. V., ... Shevelkov A. V. Layered van der Waals halcogenides

FeAl2Se4, MnAl2S4, and MnAl2Se4: atomically thin triangular arrangement of transition-metal atoms. Inorganic Chemistry. 2023;62(19): 7557–7565. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c00912

Otrokov M. M., Klimovskikh I. I., Bentmann H., ... Chulkov E. V. Prediction and observation of an intiferromagnetic topological insulator. Nature. 2019;576: 416–422. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1840-9

Estyunin D. A., Klimovskikh I. I., Shikin A. M., ... Chulkov E. V. Signatures of temperature driven ntiferromagnetic transition in the electronic structure of topological insulator MnBi2Te4. Materials. 2020;8(2): 021105(1-7). https://doi.org/10.1063/1.5142846

Jahangirli Z. A., Alizade E. H., Aliev Z. S., … Chulkov E. V. Electronic structure and dielectric function of Mn-Bi-Te layered compounds. Journal of Vacuum Science and Technology B. 2019; 37(6): 062910. https://doi.org/10.1116/1.5122702

Garnica M., Otrokov M., Aguilar P. C., ... Miranda R. Native point defects and their implications for the Dirac point gap at MnBi2Te4(0001). npj Quantum Materials. 2022;7(7): 1. https://doi.org/10.1038/s41535-021-00414-6

Yonghao Y., Xintong W., Hao L., ... Qi-Kun X. Electronic states and magnetic response of MnBi2Te4 by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Nano Letters. 2020;20: 3271−3277. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00031

Zhou L., Tan Z., Yan D., Fang Z., Shi Y., Weng H. Topological phase transition in the layered magnetic ompound MnSb2Te4: spin-orbit coupling and interlayer coupling dependence. Physical Review B. 2020;102: 085114(1-8). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.085114

Zhu T., Bishop A. J., Zhou T. Synthesis, magnetic properties, and electronic structure of magnetic topological insulator MnBi2Se4. Nano Leterst. 2021;21(12): 5083–5090. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00141

Swatek P., Wu Y., Wang L. L. Gapless Dirac surface states in the antiferromagnetic topological insulator MnBi2Te4. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. 2020;101(16): 161109. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.161109

Ovchinnikov D., Huang X., Lin Z., ... Xu X. Intertwined topological and magnetic orders in atomically thin chern insulator MnBi2Te4. Nano Letters. 2021;21(6): 2544. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05117

Liang H., Feng T., Tan S., ... Cao L. Two-dimensional (2D) MnIn2Se4 nanosheets with porous structure: a novel photocatalyst for water splitting without sacrificial agents. Chemical Communications. 2019;55: 15061. https://doi.org/10.1039/C9CC08145C

Chen W., He Z. C., Huang G. B., Wu C.-L., Chen W.-F., Liu X.-H. Direct Z-scheme 2D/2D MnIn2S4/g-C3N4 architectures with highly efficient photocatalytic activities towards treatment of pharmaceutical wastewater and hydrogen evolution. Chemical Engineering Journal. 2019;359: 244. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.141

Song Y., Guo Y., Qi S., ... Lou Y. Cu7S4/MnIn2S4 heterojunction for efficient photocatalytic hydrogen generation. Journal of Alloys and Compounds. 2021;884: 161035. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161035

Zhang B., Liu Y., Zhu H., Gu D., Zhou K., Hao J. Enhanced visible light photocatalytic performance of a novel FeIn2S4 microsphere/BiOBr nanoplate heterojunction with a Z-scheme configuration. Environmental Science and Pollution Research. 2023;30: 13438–13448 . https://doi.org/10.1007/s11356-022-22929-6

Sharan A., Sajjad M., Singh D. J., Singh N. Two-dimensional ternary chalcogenides FeX2Y4 (X = Ga, In; Y = S, Se, Te): Promising materials for sustainable energy. Physical Review Materials. 2022;6: 094005. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.094005

Muruganantham R., Chen J.-A., Yang C.-C. Spinel phase MnIn2S4 enfolded with reduced graphene oxide as composite anode material for lithium-ion storage. Materials Today Sustainability. 2023;21: 100278. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2022.100278

Wu P., Huang Ch., Hsieh Ch., Liu W. Synthesis and characterization of MnIn2S4/single-walled carbon anotube composites as an anode material for lithium-ion batteries. Nanomaterials. 2024;14(18): 716. https://doi.org/10.3390/nano14080716

Yan D., Li K., Yan Y., ... Yang H. Y. Cubic spinel XIn2S4 (X = Fe, Co, Mn): a new type of anode material for superfast and ultrastable Na-ion storage. Advanced Energy Materials. 2021;11: 2102137. https://doi.org/10.1002/aenm.202102137

Tarasov A. V., Makarova T. P., Estyunin D. A., ... Shikin A. M. Topological phase transitions driven by Sn doping in (Mn1−xSnx)Bi2Te4. Symmetry. 2023;15(2): 469. https://doi.org/10.3390/sym15020469

Djieutedjeu H., Lopez J. S., Lu R., ... Poudeu P. F. P. Charge disproportionation triggers bipolar doping in FeSb2−xSnxSe4 ferromagnetic semiconductors, enabling a temperature-induced lifshitz transition. Journal of the American Chemical Society. 2019;141(23): 9249. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01884

Levy I., Forrester C., Ding X., Testelin C., Krusin-Elbaum L., Tamargo M. C. High Curie temperature ferromagnetic structures of (Sb2Te3)1−x(MnSb2Te4)x with x = 0.7–0.8. Scientific Reports. 2023;13: 7381. https://doi.org/10.1038/s41598-023-34585-y

Moroz N. A., Lopez J. S., Djieutedjeu H., ... Poudeu P. F. P. Indium preferential distribution enables electronic engineering of magnetism in FeSb2−xInxSe4 p‑type high-Tc ferromagnetic semiconductors. Chemistry of materials. 2016;28(23): 8570. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b03293

Levy I., Forrester C., Deng H., ... Tamargo M. C. Compositional control and optimization of molecular beam epitaxial growth of (Sb2Te3)1–x(MnSb2Te4)x magnetic topological insulators. Crystal Growth and Design. 2022;22(5): 3007. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.1c01453

Liu Y., Kang Ch., Stavitski E., Attenkofer K., Kotliar G., Petrovic C. Polaronic transport and thermoelectricity in Fe1−xCoxSb2S4 (x = 0, 0.1, and 0.2). Physical Review B. 2018; 97(15): 155202. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.155202

Babanly M. B., Yusibov Y. A., Imamaliyeva S. Z., Babanly D. M., Alverdiyev I. J. Phase diagrams in the development of the argyrodite family compounds and solid solutions based on them. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2024;45: 228–255 https://doi.org/10.1007/s11669-024-01088-w

Babanly M. B., Mashadiyeva L. F., Imamaliyeva S. Z., Tagiev D. B., Babanly D. M., Yusibov Yu. A. Thermodynamic properties of complex copper chalcogenides (review). Chemical Problems. 2024;3(22): 243-280. https://doi.org/10.32737/2221-8688-2024-3-243-280

Imamaliyeva S. Z., Mekhdiyeva I. F., Babanly D. M., Zlomanov V. P., Tagiyev D. B., Babanly M. B. Solid-phase equilibria in the Tl2Te–Tl2Te3–TlErTe2 system and the thermodynamic properties of the Tl9ErTe6 and TlErTe2 compounds. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2020;65: 1762–1769. https://doi.org/10.1134/S0036023620110066

Orujlu E. N., Aliev Z. S., Babanly M. B. The phase diagram of the MnTe–SnTe–Sb2Te3 ternary system and synthesis of the iso- and aliovalent cation-substituted solid solutions. Calphad. 2022;76: 102398. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2022.102398

Aghazade A. I., Babanly D. M., Zeynalova G. S., Gasymov V. A., Imamaliyeva S. Z. Phase relations in the Bi2- Bi2Se3-Bi2Te3 system and characterization of solid solutions. Azerbaijan Chemical Journal. 2024;1: 76–88. https://doi.org/10.32737/0005-2531-2024-76-88

Ismailova E.N., Mashadiyeva L.F., Bakhtiyarly I.B., Babanly M.B. Phase equilibria in the Cu2SnSe3–Sb2Se3–Se system. Condensed Matter and Interphases. 2023; 25(1): 47–54 https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/10973

Mammadov S. H. The study of the quasi-triple system FeS-Ga2S3-Ag2S by a FeGa2S4-AgGaS2 section. mondensed Matter and Interphases. 2020;22(2): 232–237.

Mammadov F. M., Imamaliyeva S. Z., Jafarov Ya. I., Bakhtiyarly I. B., Babanly M. B. Phase equilibria in the MnTе–MnGa2Te4–MnIn2Te4 system. Condensed Matter and Interphases. 2022;24(3): 335–344. https://doi.org/10.17308/kcmf.2022.24/9856

Mammadov F. M., Amiraslanov I. R., Imamaliyeva S. Z., Babanly M. B. Phase relations in the FeSe–FeGa2Se4–FeIn2Se4 system: refinement of the crystal structures of FeIn2Se4 and FeGaInSe4. Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2019;40(6): 787–796. https://doi.org/10.1007/s11669-019-00768-2

Mammadov F. M., Agayeva R. M., Amiraslanov I. R., Babanly M. B. Revised phase diagram of the MnSe–Ga2Se3 system. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2024. https://doi.org/10.1134/S0036023623602611

Mamedov F. M., Babanly D. M., Amiraslanov I. R., Tagiev D. B., Babanly M. B. Physicochemical analysis of the FeSe–Ga2Se3–In2Se3 system. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2020;65(11): 1747–1755. https://doi.org/10.1134/s0036023620110121

Mammadov F. М., Amiraslanov I. R., Aliyeva Y. R., Ragimov S. S., Mashadiyeva L. F., Babanly M. B. Phase equilibria in the MnGa2Tе4-MnIn2Tе4 system, crystal structure and physical properties of MnGaInTе4. Acta Chimica Slovenica. 2019;66: 466. https://doi.org/10.17344/acsi.2019.4988

Mammadov F. M., Babanly D. M., Amiraslanov I. R., Tagiev D. B., Babanly M. B. FeS–Ga2S3–In2S3 system. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2021;66(10): 1533. https://doi.org/10.1134/s0036023621100090

Mammadov F. M., Niftiev N. N., Jafarov Ya. I., Babanly D. M., Bakhtiyarly I. B., Babanly M. B. Physicochemical analysis of the MnTе–Ga2Tе3–In2Tе3 system and AC electrical conductivity of MnGaInTe4. Russian Journal of onorganic Chemistry. 2022;67(10): 1623–1633. https://doi.org/10.1134/S0036023622600769

Babaeva P. K., Allazov M. R. Research in the field of inorganic and physical chemistry*. Collection of works / Z. G. Zulfugarov et al. (eds.). Institute of Inorganic and Physical Chemistry of the USSR Academy of Sciences. Baku: Elm, 1974. 318 p. (In Russ.)

Phase diagrams of binary metallic systems* / N. R. Lyakishev (rd.). Moscow: Mashinostroenie Publ.; 2001. Vol. 3. Book 1. p. 382.

Massalski T. B. Binary alloy phase diagrams - second edition.,Ohio: ASM International Materials Park; 1990. 3875 p.

Hussain R. A., Hussain I. Manganese selenide: synthetic aspects and applications. Journal of Alloys and Compounds. 2020;842(25): 155800. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155800

Hyunjung K.,Vogelgesang R., Ramdas A. K., Peiris F. C., Bindley U., Furdyna J. K. MnSe: rocksalt versus zinc-blende structure. Physical Review B. 1998;58(11): 6700–6703. https://doi.org/10.1103/physrevb.58.6700

Jiping Ye J. Y., Sigeo Soeda S. S., Yoshio Nakamura Y. N., Osamu Nittono O. N. Crystal structures and phase transformation in In2Se3 compound semiconductor. Japanese Journal of Applied Physics. 1998; 37(8R): 4264. https://doi.org/10.1143/JJAP.37.4264

Emsley J. The elements. Oxford University Press; 1998. 300 p.

Range K.-J., Klement U., Döll G. Notizen: The crystal structure of MnIn2Se4, a ternary layered semiconductor. Zeitschrift Für Naturforschung B. 1991;46(8): 1122. https://doi.org/10.1515/znb-1991-0825

Range K.-J., Klemnt U., Döll G. Dimanganese diindium pentaselenide, Mn2In2Se5. Acta Crystallographica Section C Crystal Structure Communications. 1992;48(2): 355 https://doi.org/10.1107/S0108270191008521

Dotzel P., Schäfer H., Schön G. Zur Darstellung und Strukturchemie Ternärer Selenide des Magnesiums mit Indium und Aluminium. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1976;426: 260-268. https://doi.org/10.1002/zaac.19764260305