Термодинамическое исследование системы Bi2Se3–Bi2Te3 методом ЭДС

Аннотация

Бинарные и сложные халькогениды с тетрадимитоподобной слоистой структурой представляют большой практический интерес как топологические изоляторы, термоэлектрические и оптоэлектронные материалы. Их фундаментальные термодинамические функции в совокупности с фазовыми диаграммами важны для разработки и оптимизации методов синтеза и выращивания кристаллов. В работе представлены результаты термодинамического исследования исходных соединений и твердых растворов системы Bi₂Se₃-Bi₂Te₃ методом электродвижущих сил (ЭДС). Различные модификации этого метода широко применяются для исследования бинарных и сложных халькогенидов металлов. Исследования проводили измерением ЭДС концентрационных цепей типа:
(–) Bi (тв.) | ионная жидкость + Bi³⁺ | Bi в сплаве (тв.) (+) в интервале температур 300-450 K.
В качестве правых электродов были использованы предварительно синтезированные равновесные сплавы Bi₂Se_3–хTe_x (х = 0; 0.6; 1.2; 1.8; 2.0; 2.4; 3.0) с 0.5 ат. % избытком теллура. В качестве электролита использовали ионную жидкость (формиат морфолина) с добавлением BiCl₃.
Полученные экспериментальные данные обработаны с помощью компьютерной программы «Microsoft Office Excel 2003» методом наименьших квадратов и получены линейные уравнения типа E = a + bT. Из полученных уравнений температурных зависимостей ЭДС рассчитаны относительные парциальные молярные функции висмута в сплавах. На основании диаграммы твердофазных равновесий системы Bi–Se–Te были определены уравнения потенциалобразующих реакций, с использованием которых вычислены стандартные термодинамические функции
образования и стандартные энтропии соединений Bi₂Se₃, Bi₂Te₃ и твердых растворов Bi₂Se_3–xTe_x вышеуказанных составов. Также вычислены термодинамические функции образования твердых растворов Bi₂Se_3–xTe_x из исходных бинарных соединений. Полученные результаты хорошо коррелируют со структурными данными о том, что в кристаллической решетке b-фазы состава Bi₂SeTe₂ в расположении атомов селена и теллура наблюдается некоторая упорядоченность – атомы селена преимущественно занимают центральный слой пятислойника, а атомы теллура – два внешних слоя.

ЛИТЕРАТУРА

1. Rowe D. M. Thermoelectrics Handbook: Macro to
Nano. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, Taylor & Francis
Group; 2006. 1008 р.
2. Шевельков А. В. Химические аспекты созда-
ния термоэлектрических материалов. Успехи химии.
2008;77(1): 3–21. DOI: https://doi.org/10.1070/rc2008v077n01abeh003746
3. Adam A. M., Lilov E., Ibrahim E. M. M., Petkov P.,
Panina L. V., Darwish M. A. Correlation of structural
and optical properties in as-prepared and annealed
Bi2Se3 thin films. Journal of Materials Processing Technology.
2019;264: 76–83. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2018.09.005
4. Wang Q., Wu X., Wu L., Xiang Y. Broadband
nonlinear optical response in Bi2Se3-Bi2Te3 heterostructure
and its application in all-optical switching.
AIP Advances 9. 2019; 025022. DOI: https://doi.org/10.1063/1.5082725
5. Hosokawa Y., Wada K., Tanaka M., Tomita K.,
Takashiri M. Thermal annealing effect on structural
and thermoelectric properties of hexagonal Bi2Te3
nanoplate thin films by drop-casting technique. Japanese
Journal of Applied Physics. 2017;57(2S2): 02CC02.
DOI: https://doi.org/10.7567/jjap.57.02cc02
6. Adam A. M., Elshafaie A., Abd El-Moez A. M.,
Petkov P., Ibrahim E. M. M. Thermoelectric properties
of Te doped bulk Bi2Se3 system. Materials Research
Express. 2018;5(3): 035514. DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1591/aab5e8
7. Flammini R., Colonna S., Hogan C., Mahatha S.,
Papagno M., Barla A., Sheverdyaeva P., Moras P.,
Aliev Z., Babanly M. B, Chulkov E. V., Carbone C.,
Ronci F. Evidence of b-antimonene at the Sb/Bi2Se3
interface. Nanotechnology. 2018;29(6): 065704. DOI:
https://doi.org/10.1088/1361-6528/aaa2c4
8. Hogan C., Holtgrewe K., Ronci F., Colonna S.,
Sanna S., Moras P., Sheverdyaeva P. M., Mahatha S.,
Papagno M., Aliev Z. S., Babanly M. B., Chulkov E. V.,
Carbone C., Flammini R. Temperature driven phase
transition at the antimonene/Bi2Se3 van der Waals
heterostructure. ACS Nano. 2019;13(9): 10481–10489.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.9b04377
9. Otrokov M. M., Ernst A., Mohseni K., Fulara H.,
Roy S., Castro G. R., Rubio-Zuazo J., Ryabishchenkova
A. G., Kokh K. A., Tereshchenko O. E., Aliev Z. S.,
Babanly M. B., Chulkov E. V., Meyerheim H. L., Parkin
S. S. P. Geometric and electronic structure of the
Cs‑doped Bi2Se3(0001) surface. Phys. Rev. B. 2017;95(20):
205429. DOI: https://doi.org/10.1103/physrevb.95.205429
10. Lamuta C., Cupolillo A., Politano A., Aliev Z. S.,
Babanly M. B., Chulkov E. V., Pagnotta L. Indentation
fracture toughness of a single-crystal Bi2Te3 topological
insulator. Nano Research. 2016;9(4): 1032–1042.
DOI: https://doi.org/10.1007/s12274-016-0995-z
11. Viti L., Coquillat D., Politano A., Kokh K. A.,
Aliev Z. S., Babanly M. B., Tereshchenko O. E., Knap W.,
Chulkov E. V., Vitiello M. S. Plasma-wave terahertz
detection mediated by topological insulators surface
states. Nano Letters. 2016;16(1): 80−87. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b02901
12. Babanly M. B., Chulkov E. V., Aliev Z. S., Shevel’kov
A. V., Amiraslanov I. R. Phase diagrams in
materials science of topological insulators based on
metal chalkogenides. Russ. J. Inorg. Chem. 2017;62(13):
1703–1729. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036023617130034
13. Otrokov M. M., Klimovskikh I. I., Bentmann H.,
et al. Prediction and observation of the antiferromagnetic
topological insulator. Nature. 2019;576(7787):
416–422. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1840-9
14. Shanna Z., Gang S., Peng Z., Dechao M.,
Genhao L., Xiaofang Z., Yalin L., Yongqing L., Lan C.,
Kehui W. Growth and transport properties of topological
insulator Bi2Se3 thin film on a ferromagnetic
insulating substrate. Chinese Physics B. 2017;27(7).
DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/7/076801
15. Walsh L. A., Smyth C. M., Barton A. T., Qingxiao
W., Zifan C., Ruoyu Y., Jiyoung K., Moon J. K.,
Wallace R.M., Hinkle C. L. Interface chemistry of contact
metals and ferromagnets on the topological insulator
Bi2Se3. J. Phys. Chem. C. 2017;121(42): 23551–
23563. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b08480
16. Liguo Z., Dapeng Z., Yunyi Z., Yonghao Y.,
Gaoyuan J., Menghan L., Ding Z., Ke H., Xucun M.,
Qikun X. Ferromagnetism in vanadium-doped Bi2Se3
topological insulator films. APL Materials. 2017;5(7):
076106. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4990548
17. Воронин Г. Ф., Герасимо Ю. И. Роль химиче-
ской термодинамики в развитии полупроводни-
кового материаловедения. Термодинамика и полу-
проводниковое материаловедение. M.: МИЭТ; 1980.
с. 3–10. Режим доступа: https://search.rsl.ru/ru/record/01001069961
18. Babanly M. B., Mashadiyeva L. F., Babanly D. M.,
Imamaliyeva S. Z., Taghiyev D. B., Yusibov Y. A. Some
issues of complex investigation of the phase equilibria
and thermodynamic properties of the ternary chalcogenid
systems by the EMF method. Russian J. Iniorg.
Chem. 2019;64(13): 1649–1671. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036023619130035
19. Barin I. Thermochemical data of pure substances.
Third Edition. Weinheim: Wiley-VCH; 1995. DOI:
https://doi.org/10.1002/9783527619825
20. Кubaschewski O., Alcock C. B., Spenser P. J.
Materials Thermochemistry. New York: Pergamon Press;
1993. 350 p.
21. База данных термических констант веществ.
Электронная версия под. ред. В. С. Юнгмана. 2006.
http://www.chem.msu.su/cgi-bin/tkv.pl?show=welcom.html
22. Герасимов Я. И., Крестовников А. Н, Гор-
бов С. И. Химическая термодинамика в цветной
металлургии. Справочник. т.6. М.: Металлургия;
1974. 312 с.
23. Sidorko V. R., Goncharuk L. V., Antonenko R. V.
Thermodynamic properties of bismuth sesquiselenide
and sesquitelluride and their solid solutions. Powder
Metallurgy and Metal Ceramics. 2008;47: 234–241. DOI:
https://doi.org/10.1007/s11106-008-9009-3
24. Воронин Г. Ф. Парциальные термодинами-
ческие функции гетерогенных смесей и их приме-
нение в термодинамике сплавов. / В кн.: Современ-
ные проблемы физической химии. т. 9. М.: изд. МГУ;
1976. 29–48 с.
25. Вагнер K. Термодинамика сплавов. M.: Ме-
таллургиздат; 1957. 179 с.
26. Морачевский А. Г., Воронин Г. Ф., Гейде-
рих В. А., Куценок И. Б. Электрохимические
методы исследования в термодинамике металлических сис-
тем ИЦК. М.: Академкнига; 2003. 334 с
27. Бабанлы М. Б., Юсибов Ю. А. Электрохими-
ческие методы в термодинамике неорганических
систем. Баку: ЭЛМ; 2011. 306 с.
28. Vassiliev V., Gong W. Electrochemical cells with
the liquid electrolyte in the study of semiconductor,
metallic and oxide systems. In: Electrochemical cells
– new advances in fundamental researches and applications.
Shao Y. Rijeka (ed.) IntechOpen; 2012. pp. 71–
102. DOI: https://doi.org/10.5772/39007
29. Babanly D. M., Veliyeva G. M., Imamaliyeva
S. Z., Babanly M. B. Thermodynamic functions of
arsenic selenides. Russ. J. Phys. Chem. A. 2017;91(7):
170–1173. DOI: https://doi.org/10.1134/s0036024417070044
30. Aliev Z. S., Musayeva S. S., Jafarli F. Y.,
Amiraslanov I. R., Shevelkov A. V., Babanly M. B. The
phase equilibria in the Bi–S–I ternary system andthermodynamic properties of the BiSI and Bi19S27I3
ternary compounds. Journal of Alloys and Compounds.
2014;610: 522–528. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.05.015
31. Jafarov Y. I., Ismaylova S. A., Aliev Z. S., Imamaliyeva
S. Z., Yusibov Y. A., Babanly M. B. Experimental
study of the phase diagram and thermodynamic
properties of the Tl-Sb-S system. Calphad. 2016;55:
231–237. DOI: https://doi.org/10.1016/j.calphad.2016.09.007
32. Imamaliyeva S. Z., Babanly D. M., Gasanly T. M.,
Tagiev D. B., Babanly M. B. Thermodynamic properties
of Tl9GdTe6 and TlGdTe2. Russian Journal of Physical
Chemistry A. 2018;92(11): 2111–2117. DOI: https://doi.org/10.1134/s0036024418110158
33. Moroz M. V., Prokhorenko M. V., Prokhorenko
S. V., Yatskov M. V., Reshetnyak O. V. Thermodynamic
properties of AgIn2Te3I and AgIn2Te3Br, determined
by the EMF method. Russian Journal of Physical
Chemistry A. 2018;92(1): 19–23. DOI: https://doi.org/10.1134/s0036024418010168
34. Козин Л.Ф., Нигметова Р. Ш. Термодинами-
ческие свойства жидких сплавов олово–ртуть. Ж.
Неорган. химии, 1963;8(11): 2556-2562.
35. Aliev Z. S., Musayeva S. S. Imamaliyeva S. Z.,
Babanlэ M. B. Thermodynamic study of antimony
chalcoiodides by EMF method with an ionic liquid. J.
Therm. Anal. Calorim. 2018;133(2): 1115–1120. DOI:
https://doi.org/10.1007/s10973-017-6812-4
36. Imamaliyeva S. Z., Musayeva S. S., Babanly
D. M., Jafarov Y. I., Tagiyev D. B., Babanly M. B.
Determination of the thermodynamic functions of
bismuth chalcoiodides by EMF method with morpholinium
formate as electrolyte. Thermochimica Acta.
2019;679: 178319. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tca.2019.178319
37. Brigouleix C., Anouti M., Jacquemin J., Caillon-
Caravanier M., Galiano H., Lemordant D. Physicochemical
characterization of morpholinium cation
based protic ionic liquids used as electrolytes. J. Phys.
Chem. B. 2010;114(5): 1757–1766. DOI: https://doi.org/10.1021/jp906917v
38. Абрикосов Н. Х., Банкина В. Ф., Порец-
кая Л. В. и др. Полупроводниковые халькогениды и
сплавы на их основе. М.: Наука; 1975. 220 с.
39. Chizhevskaya S. N. Shelimova L. E. Se–Te phase
diagram and structures of amorphous and crystalline
Se1–xTex alloys: critical review. Russ. J. Inorg. Chem.
1997;42(5): 827–837.
40. Ghosh G., Lukas H. L., Delaey L. A thermodynamic
assessment of the Se–Te system. Calphad.
1988; 12(3):295–299. DOI: https://doi.org/10.1016/0364-5916(88)90010-7
41. Васильев В. П., Сомов А. П., Никольская А. В.,
Герасимов Я. И. Исследование термодинамических
свойства селенида висмута методом ЭДС. Ж. Физ.
химии. 1968; 42(3): 675–678.
42. Мелех Б. Т., Семенкович С. А. Термодина-
мические свойства теллурида и селенида трехва-
лентного висмута. Изв. АН СССР. Неорган. матер.
1968;4(8): 1346–1348.
43. Герасимов Я. И. и Никольская А. В. Термо-
динамические свойства теллурида висмута (Bi2Te3)
и теллурида сурьмы (Sb2Te3). В кн.: Металлургия и
физика полупроводников. М.: 1961. с. 30–33.