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| 名前 | |
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| IUPAC名
二セレン化タンタル
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| その他の名前
二セレン化タンタル(IV)
セレン化タンタル | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.031.713 |
| EC番号 |
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パブケム CID
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| タセ 2 | |
| モル質量 | 338.87グラム/モル |
| 外観 | 銀色/金色の固体 |
| 構造 | |
a = 0.343 nm (2 H )、0.348 nm (1 T )、c = 1.27 nm (2 H )、0.627 nm (1 T )
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| 関連化合物 | |
その他の陰イオン
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テルル化タンタル 二硫化タンタル |
その他の陽イオン
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二セレン化モリブデン 二セレン化ニオブ 二セレン化タングステン |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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二セレン化タンタルは、タンタルとセレンの原子からなる化合物で、化学式はTaSe 2で、遷移金属二カルコゲニドのグループに属します。二硫化モリブデン（MoS 2）[1]や二硫化レニウム（ReS 2）[2]とは異なり、二セレン化タンタルは自然界では自然には発生しませんが、合成することができます。成長パラメータに応じて、さまざまな種類の結晶構造を安定化できます。
2010年代には、この化合物は結晶構造に依存して600 K (327 °C)まで電荷密度波 (CDW) を示す能力があるため、関心が高まっています。 [3]一方、他の遷移金属ジカルコゲニドでは、通常、同様の能力を観察するためには数百ケルビン以下に冷却する必要があります。
構造
他の TMD と同様に、TaSe 2 は層状化合物であり、中央のタンタル六方格子が 2 層のセレン原子に挟まれており、やはり六方構造を保っています。原子レベルで薄いグラフェンなどの他の 2D 材料とは異なり、TMD は互いに強く結合した原子の 3 層で構成され、他の 3 層の上に積み重ねられ、ファンデルワールス力によって結合されています。TMD は簡単に剥離できます。
TaSe 2の最も研究されている結晶構造は、それぞれ八面体と三方柱状の対称性を特徴とする1T相と2H相である。 [4]しかし、 3R相[4]や1H相を合成することも可能です。[5]
1T段階
1 T相では、セレン原子は八面体対称性を示し[5]、最上層と最下層のセレン原子の相対的な配向は反対になります。マクロスケールでは、サンプルは金色を示します。[4]格子定数は、a = b = 3.48 Å、[5] c = 0.627 nm です。[ 4] 温度に応じて、異なるタイプの電荷密度波 (CDW) を示します。473 K から 600 K (200 °C から 327 °C) の間では不整合 CDW (ICDW) [4]であり、473 K (200 °C) 未満では整合 CDW (CCDW) です。[4]整合CDWでは、結果として生じる超格子は、歪んでいないTaSe 2の格子定数（ a = b ）（600 K（327 °C）以上）に対して、 √13 × √13再構成を示し、しばしばダビデの星（SOD）と呼ばれます。[6]膜厚もCDW転移温度に影響を与える可能性があり、膜厚が薄いほど、ICDWからCCDWへの転移温度は低くなります。[4]
1 Tフェーズでは、対応する画像に示すように、単一の三層が常に同じ形状で積み重ねられます。
2H段階
2 H相は、三方柱状対称性[5]と最上層と最下層での相対配向が等しいという特徴を持つセレン原子の構成に基づいています。格子定数はa = b = 3.43 Å、[5] [7]、c = 1.27 nmです。[7]温度に応じて、90〜122 K（-183.2〜-151.2 °C）では不整合CDW（ICDW）、90 K（-183.2 °C）以下では整合CDW（CCDW）という異なるタイプの電荷密度波を示します。[4] [8] 90 K (-183.2 °C)以下での格子歪みは、2 H -TaSe 2 (122 K (-151 °C)以上) の歪みのない格子パラメータ ( a = b )に対して3× 3再構成を行うCCDWを生じさせる[9] 。
2 H相では、相対画像に示すように、単一の三層が互いに反対方向に積み重ねられています。分子線エピタキシーにより、1H相としても知られる2 H -TaSe 2の単一の三層を成長させることができます。基本的に、2 H相は、互いに反対の相対方向を持つ1H相の積み重ねとして見ることができます。[5]
1H相ではICDW転移温度は130K （ -143℃）まで上昇する。[9]
プロパティ
電気と磁気
TaSe 2 は、化学組成が変化しない場合でも、 ポリタイプ（2 Hまたは 1 T ）に応じて異なる特性を示します。
1T段階
低温での抵抗率は金属と似ていますが、高温になると減少し始めます。ピークは約473 K (200 °C) で現れ、半導体の挙動に似ています。[10] 1 T相の抵抗率は2 H相よりもほぼ2桁高くなります。[10]
1 T相の磁化率は低温ではピークを示さず、473 K (200 °C) に達するまでほぼ一定のままである (ICDW温度遷移)。その後、磁化率はわずかに高い値に跳ね上がる。[10] 1 T相は反磁性である。[11]
2H段階
抵抗率は温度が110 K (-163 °C) を超えると直線的に温度に依存します。[12]一方、この閾値以下では非直線的な挙動を示します。110 K (-163 °C) でのR ( T ) のこの急激な変化は、TaSe 2におけるある種の磁気秩序の形成に関連している可能性があります。秩序だったスピンは電子をあまり効率的に散乱しません。これにより電子の移動度が増加し、抵抗率は理想的には直線的な傾向に対応するよりも速く低下します。
2 Hポリタイプの磁化率は温度にわずかに依存しており、110～120 K (-163～-153 °C) の範囲でピークに達します。傾向はそれぞれ 110 K (-163 °C) 未満では直線的に上昇し、110 K (-163 °C) を超えると直線的に下降します。[12] 2 H相のこの最大値は、120 K (-153 °C) での CCDW の形成に関連しています。[10] 2 H相はパウリ常磁性です。[11]
ホール係数R Hは120 K (-153 °C) 以上の温度ではほとんど変化しませんが、それ以下の温度では逆に低下し始め、最終的には90 K (-183.2 °C) でゼロになります。4 K から 90 K (-269 – -183 °C) の範囲では、係数R Hは負で、約35 K (-238.2 °C) で最小値に達します。[12]
電子
1T段階
バルクの1T - TaSe2は金属的であるが[5]、単分子層（八面体対称の三層Se-Ta-Se）は絶縁体であることが観測されている[5] [6] 。バンドギャップは0.2eVである[5]。これは、バルクと同様に金属的であると予測される理論計算とは対照的である。[5]
2H段階
バルクの2 H -TaSe 2は金属的[5]であるため、単一の単分子層[5]（三方柱状対称の三層Se-Ta-Se）であり、1 H相としても知られています。[5]
光学
二セレン化タンタルの非線形屈折率を調べるには、液相剥離法でTaSe 2の原子的に薄い薄片を作製します。この技術ではアルコールを使用する必要があるため、二セレン化タンタルの屈折率はカーの法則[13]によって取得できます。n = n 0 + n 2 I、ここでn 0 = 1.37 はエタノールの線形屈折率、[13] n 2はTaSe 2の非線形屈折率[13]、I はレーザービームの入射強度です。[13]異なる光波長、特にλ = 532 nm とλ = 671 nm を使用すると、 n 2とχ (3)、つまり 3 次非線形感受率の両方を測定できます。[13]
これらの量は両方ともIに依存します。レーザーの強度が高いほどサンプルの加熱量が高くなり、屈折率が変化するためです。[13]
λ = 532 nmの場合、 n 2 =8 × 10 −7 cm 2 /W [13]およびχ (3) =1.37 × 10 −7（esu）[13]
λ = 671 nmの場合、 n 2 =3.3 × 10 −7 cm 2 /W [13]およびχ (3) =1.58 × 10 −7（esu）[13]
超伝導
バルクの2H -TaSe2は、0.14K（-273.01℃）以下の温度で超伝導性を示すことが実証されている。 [9]しかし、単分子層（1H相）では、臨界温度が1K（-272.15℃）まで上昇する可能性がある。[9]
1 T相では通常、超伝導挙動は示さないが、[14]テルル原子をドーピングすることでTaSe 2− x Te x化合物を形成できる。前者の化合物の超伝導特性はテルル分率に依存する ( x は0 < x < 2の範囲で変化できる)。[14]超伝導状態は、Te 分率が0.5 < x < 1.3 の範囲内にあるときに発生する。 [ 14]最適な構成はx = 0.6で達成され[14] 、臨界温度T c = 1.6 K (-271.55 °C)に対応する。[14]最適な構成では、CDW はテルルの存在によって完全に抑制される。[14]
潤滑剤
さまざまな機械用途で潤滑剤として広く使用されているMoS 2とは対照的に、TaSe 2 は平均摩擦係数が 0.15と、同じ特性を示していません。[15]バーカー振り子のような摩擦試験では、初期の摩擦係数は 0.2 ～ 0.3 を示し、[15]振り子の振動数が増加するにつれて、すぐに大きな値に増加します（MoS 2の場合は、すべての振動中ほぼ一定です）。[15]
合成
二セレン化タンタルを合成するにはさまざまな方法があり、成長パラメータに応じて、さまざまな種類のポリタイプを安定化できます。
化学蒸気輸送
一般的に、TMDは化学気相輸送技術によって次の化学式に従って合成することができる。 [16]
- 1 .../ん M + 1/ん MCl 5 + 2 X → MX 2 + 5 ⁄ 2 n Cl 2
ここで、M は選択された遷移金属（Ta、Mo など）であり、X は選択されたカルコゲン元素（Se、Te、S）を表す。結晶成長を支配するパラメータnは 3 から 50 の間で変化し、結晶成長が最適化されるように適切に選択することができる。[16] 2 日から 7 日間続く可能性のあるこのような成長中、温度は最初にT h = 600～900 °C（873～1,173 K）の範囲で上昇する。[16]次に、 T c = 530～800 °C（803～1,073 K）まで冷却される。 [16]成長が完了したら、結晶は室温まで冷却される。T cの値に応じて、 2 H相または 1 T相のいずれかを安定化できます。特に、 T c < 800 °C（1,070 K）のタンタルとセレンを使用すると、 2 H相のみが安定化されます。1T位相の場合、Tcはより大きくなければなりません。[16]これにより、選択されたTMDの望ましい位相を選択的に成長させることができます。[16]
化学蒸着
TaCl 5とセレンの粉末を前駆体として、金基板を使用することで、2 H相を安定化することができます。金基板は930℃（1,200 K）まで加熱する必要がありますが、TaCl 5とSeはそれぞれ650℃（923 K）と300℃（573 K）まで加熱できます。[17]アルゴンガスと水素ガスがキャリアとして使用されます。成長が完了したら、サンプルを室温まで冷却します。
機械的剥離
単一の三層構造は弱いファンデルワールス力によってのみ保持されているため、TaSe 2結晶のバルク上でスコッチ/カーボンテープを使用することで、原子レベルで薄い二セレン化タンタル層を簡単に分離することができます。[18]この方法により、TaSe 2の数層（または単層）を分離することが可能です。[18]次に、分離した層をSiO 2などの他の基板の上に堆積させ、[18]さらなる特性評価を行うことができます。
分子線エピタキシー
純粋なタンタルは、セレン雰囲気中でグラフェンの二重層上に直接昇華します。 [5]基板の温度T s (グラフェン二重層) に応じて、1 T 相または 2 H相を安定化できます。特に、T s = 450 °C (723 K) の場合は 2 H相が優先され、 T s = 560 °C (833 K)の場合は1 T相が安定します。[5]この成長方法は、原子的に薄い/数層にのみ適しており、バルク結晶には適していません。
液相剥離
TaSe 2 （または他のTMD）のバルク結晶を純粋なエタノール溶液に入れる。次に、混合物を超音波装置で少なくとも450Wの電力で15時間超音波処理する。[13]この方法では、TaSe 2の単分子層をまとめているファンデルワールス力を克服することができ、その結果、原子的に薄いタンタルセレン化物フレークが形成される。[13]
研究
オプトエレクトロニクス
2 H TaSe 2 は、約 532 nm で非常に大きな光吸収と発光を特徴とすることが判明しているため、[19]新しいデバイスの開発に使用できる可能性があります。特に、TaSe 2と他の TMD、特に MoS 2との間でエネルギーを転送できることが証明されています。このプロセスは、TaSe 2 の発光と TMD の励起子吸収との間の大きな結合を利用することで、非放射共鳴方式で実現できます。[19]
さらに、生成された光電子の寿命が長いため、半導体材料やその他の非金属TMD [19]へのホットキャリアの注入に使用できる有望な材料です。[19]
全光スイッチと情報転送
TaSe 2の非線形効果が入射レーザービームの強度Iに依存することを利用して[13] 、異なる波長と強度で動作する 2 つのレーザーによって全光スイッチを構築することができます。特に、λ 2 = 671 nm の高強度レーザーを使用して、 λ 2 = 532 nmの低強度信号を変調します。 [13]非線形効果をトリガーするためのIの最小値があるため、低強度信号だけでは励起できません。 [13]逆に、高強度ビーム ( λ 1 ) が低強度信号 ( λ 2 ) と結合されると、λ 1とλ 2 の両方で非線形効果が発生します。[13]そのため、高強度信号 ( λ 1 )を操作することで、低強度信号 ( λ 2 )の非線形効果をトリガーすることができます。
λ 1とλ 2の結合を利用することで、高強度ビームから低強度ビームに情報を転送することができます。この方法では、 λ 1からλ 2への情報転送の遅延時間は約 0.6 秒です[13]
スピン軌道トルク装置
通常、スピン軌道トルクやスピン電荷デバイスは、強磁性層をプラチナなどのバルクの重遷移金属と接合することによって構築されます。[20]しかし、これらの効果は主に界面で発生し、プラチナバルクでは抵抗損失による熱放散が発生します。[20]理論およびDFTシミュレーションによると、1 T -TaSe 2単分子層をコバルトと接合すると、通常のプラチナベースのデバイスよりも高い性能が得られる可能性があります。[20]
最近の実験では、TaSe2のスピン軌道散乱長はLso = 17 nm程度であることが示されており[21]、これは白金のLso = 12 nmと非常によく似ている。 [21]これは、スピンホール効果に基づく新しい2Dスピントロニクスデバイスの開発にタンタルセレン化物を実装できる可能性を示唆している。[21]
水素発生反応（HER）
DFTおよびAIMDシミュレーションによると、 TaSe2とTaS2の両方の薄片を無秩序に積み重ねることで、他の化合物からH2を抽出するために使用できる新しい効率的で安価なカソードの開発に使用できる可能性があることが示唆されています。[ 22 ]
参照
参考文献
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