Experimental investigation of the solid phase equilibria at 300 K in the SnBi2Te4-PbBi2Te4-Bi2Te3 system

А.І. Агхазаде; Є.Н. Оруйлу; З.Е. Салімов; А.Н. Маммадов; М.Б. Бабанли

doi:10.15330/pcss.24.3.453-459

Автор(и)

А.І. Агхазаде Інститут каталізу та неорганічної хімії імені М. Нагієва, Баку, Азербайджан
Є.Н. Оруйлу Азербайджанський державний університет нафти та промисловості, Баку, Азербайджан
З.Е. Салімов Азербайджанський державний університет нафти та промисловості, Баку, Азербайджан
А.Н. Маммадов Інститут каталізу та неорганічної хімії імені М. Нагієва, Баку, Азербайджан; Азербайджанський технічний університет, Баку, Азербайджан
М.Б. Бабанли Інститут каталізу та неорганічної хімії імені М. Нагієва, Баку, Азербайджан

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.453-459

Ключові слова:

система SnBi2Te4-PbBi2Te4-Bi2Te3, розріз SnBi6Te10–PbBi6Te10, твердофазна рівновага, топологічні ізолятори, термоелектричні матеріали

Анотація

Фазові рівноваги системи SnBi₂Te₄-PbBi₂Te₄-Bi₂Te₃ експериментально досліджено методами диференціального термічного аналізу (ДТА), рентгенівської дифракції (РФА) та скануючої електронної мікроскопії (СЕМ). За результатами експерименту побудовано ізотермічний перетин системи при 300 К і виділено 4 однофазні та 3 двофазні області. Показано, що поряд із раніше підтвердженими розрізами SnBi₂Te₄–PbBi₂Te₄ та SnBi₄Te₇–PbBi₄Te₇, розріз SnBi₆Te₁₀–PbBi₆Te₁₀ утворює суцільний ряд твердих розчинів із шаруватою структурою тетрадимітового типу. Параметри решітки твердих розчинів були визначені повнопрофільним уточненням Рітвельда. Результати показують, що як параметри a, так і c зростають лінійно із концентрацією Pb, відповідно до закону Вегарда. Це дослідження може допомогти з’ясувати фазові рівноваги псевдопотрійної системи SnTe-PbTe-Bi₂Te₃, яка надає важливу інформацію для розробки нових шаруватих фаз тетрадимітового типу із топологічним ізолятором і термоелектричними властивостями.

Посилання

N. Virk, O. Yazyev, Dirac fermions at high-index surfaces of bismuth chalcogenide topological insulator nanostructures, Sci Rep, 6(1), 20220 (2016); https://doi.org/10.1038/srep20220.

L.D. Ivanova, I.Y. Nikhezina, Y.V. Granatkina, V.A. Dudarev, S. A. Kichik, A.A. Mel’nikov, Thermoelements from antimony- and bismuth-chalcogenide alloys, Semiconductors, 51(8), 986 (2017); https://doi.org/10.1134/S1063782617080140.

G.S. Hegde, A.N. Prabhu, A Review on Doped/Composite Bismuth Chalcogenide Compounds for Thermoelectric Device Applications: Various Synthesis Techniques and Challenges. J. Electron. Mater., 51, 2014 (2022); https://doi.org/10.1007/s11664-022-09513-x.

R. Golovchak, J. Plummer, A. Kovalskiy, Y. Holovchak, T. Ignatova, A. Trofe, B. Mahlovanyi, J. Cebulski, P. Krzeminski, Y. Shpotyuk, C. Boussard-Pledel, B. Bureau, Phase-change materials based on amorphous equichalcogenides, Sci Rep, 13, 2881 (2023); https://doi.org/10.1038/s41598-023-30160-7.

W-C. Lin, Y-C. Yang, H-Y. Tuan, Ternary chalcogenide anodes for high-performance potassium-ion batteries and hybrid capacitors via composition-mediated bond softening and intermediate phase, Energy Storage Materials, 51, 38 (2022); https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.06.010.

H.J. Goldsmid, R.W. Douglas. The use of semiconductors in thermoelectric refrigeration, British Journal of Applied Physics, 5, 386 (1954).

A.V. Shevelkov. Chemical aspects of the design of thermoelectric materials, Russian Chemical Reviews, 77(1), 1 (2008); https://doi.org/ 10.1070/RC2008v077n01ABEH003746.

G. Tan, M. Ohta, M. G. Kanatzidis. Thermoelectric power generation: from new materials to devices, Philosophical Transactions of the Royal Society B, 377(2152), 20180450 (2019); https://doi.org/10.1098/rsta.2018.0450.

X. L. Qi, S. C. Zhang. Topological insulators and superconductors, Reviews of Modern Physics, 83, 1057 (2011); https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.1057.

L. Hu, H. Gao, X. Liu H. Xie, J. Shen, T. Zhu, X.Zhaoa, Enhancement in thermoelectric performance of bismuth telluride based alloys by multi-scale microstructural effects, Journal of Materials Chemistry. 22, 16484 (2012); https://doi.org/10.1039/C2JM32916F.

H. Zhang, C-X. Liu, X-L. Qi, X. Dai, Z. Fang, S-C. Zhang, Topological insulators in Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3 with a single Dirac cone on the surface, Nature Phys, 5, 438 (2009); https://doi.org/10.1038/nphys1270.

Y.L. Chen, J.G. Analytis, J-H. Chu, Z.K. Liu, S-K. Mo, X.L. Qi, H.J. Zhang, D.H. Lu, X. Dai, Z. Fang, S.C. Zhang, I.R. Fisher, Z. Hussain, Z-X. Shen, Experimental Realization of a Three-Dimensional Topological Insulator, Bi2Te3, Science, 325, 178 (2009); https://doi.org/10.1126/science.1173034.

L. Zhao, H. Deng, I. M. Begliarbekov, Z. Chen, E. Andrade, E. Rosenthal, A. Pasupathy, V. Oganesyan, L. Krusin-Elbaum, Emergent surface superconductivity in the topological insulator Sb2Te3, Nat Commun, 6, 8279 (2015); https://doi.org/10.1038/ncomms9279.

C. Lamuta, A. Cupolillo, A. Politano, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, E.V. Chulkov, L. Pagnotta, Indentation fracture toughness of single-crystal Bi2Te3 topological insulators, Nano Research, 9, 1032 (2016); https://doi.org/10.1007/s12274-016-0995-z.

R. Flammini, S. Colonna, C. Hogan, S.K. Mahatha, M. Papagno, A. Barla, P.M. Sheverdyaeva, P. Moras, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, E.V. Chulkov, C. Carbone, F. Ronci, Evidence of β-antimonene at the Sb/Bi2Se3 interface. Nanotechnology, 29(6), 065704 (2018); https://doi.org/10.1088/1361-6528/aaa2c4.

A. Politano, M. Caputo, S. Nappini, F. Bondino, E. Magnano, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, A. Goldoni, G. Chiarello, E. V. Chulkov, Exploring the Surface Chemical Reactivity of Single Crystals of Binary and Ternary Bismuth Chalcogenides, J. Phys. Chem. C, 118(37), 21517 (2014); https://doi.org/10.1021/jp506444f.

L-L. Wang, Highly tunable band inversion in AB2X4 (A=Ge, Sn, Pb; B=As, Sb, Bi; X=Se, Te) compounds, Phys. Rev. Materials, 6, 094201 (2022); https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.094201.

A. Saxena, N.K. Karn, M.M. Sharma, V.P.S. Awana, Detailed structural and topological analysis of SnBi2Te4 single crystal, J. Phys. Chem. Solids, 174, 111169 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2022.111169.

M.G. Vergniory, T.V. Menshchikova, S.V. Eremeev, E.V. Chulkov, Bulk and surface electronic structure of SnBi4Te7 topological insulator, Applied Surface Science, 267, 146 (2013); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.08.073.

M. Papagno, S. V. Eremeev, J. Fujii, Z. S. Aliev, M. B. Babanly, S. Mahatha, I. Vobornik, N. T. Mamedov, D. Pacile, E. V. Chulkov, Multiple Coexisting Dirac Surface States in Three-Dimensional Topological Insulator PbBi6Te10, ACS Nano, 10(3), 3518 (2016); https://doi.org/10.1021/acsnano.5b07750.

R. Li, G. Liu, Q. Jing, X. Wang, H. Wang, J. Zhang, Y. Ma, Pressure-induced superconductivity and structural transitions in topological insulator SnBi2Te4, J.Alloys Compd, 900, 163371 (2022); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163371.

K. Konstantinou, F.C. Mocanu, J. Akola, Electron localization in recrystallized models of the Ge2Sb2Te5 phase-change memory material, Phys. Rev. B, 106, 184103 (2022); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.184103.

M.Nurmamat, K.Okamoto, S. Zhu, T.V. Menshchikova, I.P. Rusinov, V. O. Korostelev, K. Miyamoto, T. Okuda, T. Miyashita, X. Wang, Y. Ishida, K. Sumida, E.F. Schwier, M. Ye, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, I.R. Amiraslanov, E.V. Chulkov, K.A. Kokh, O.E. Tereshchenko, K. Shimada, S. Shin, A. Kimura, Topologically Nontrivial Phase-Change Compound GeSb2Te4. ACS Nano, 14(7), 9059 (2020); https://doi.org/10.1021/acsnano.0c04145.

M.B. Babanly, E.V. Chulkov, Z.S. Aliev, A.V. Shevelkov, I.R. Amiraslanov, Phase diagrams in materials science of topological insulators based on metal chalcogenides, Russ. J. Inorg. Chem., 62, 1703 (2017); https://doi.org/10.1134/S0036023617130034.

S.Z. Imamaliyeva, D.M. Babanly, D.B. Tagiev, M.B. Babanly, Physicochemical Aspects of Development of Multicomponent Chalcogenide Phases Having the Tl5Te3 Structure: A Review, Russ. J. Inorg. Chem., 63, 1704 (2018); https://doi.org/10.1134/S0036023618130041.

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

A.I. Aghazade, Phase relations and characterization of solid solutions in the SnBi2Te4–PbBi2Te4 and SnBi4Te7–PbBi4Te7 systems, J. Azerb. Chem., 3, 75 (2022); https://doi.org/10.32737/0005-2531-2020-4-53-59.

E.N. Orujlu, Phase relations and characterization of solid solutions in the SnSb2Te4-MnSb2Te4 system, New Materials, Compounds and Applications, 4(1), 38 (2020).

Y. Hattori, Y. Tokumoto, K. Kimoto, K. Edagawa, Evidences of inner Se ordering in topological insulator PbBi2Te4-PbBi2Se4-PbSb2Se4 solid solutions, Sci Rep, 10, 7957 (2020); https://doi.org/10.1038/s41598-020-64742-6.

K. Adouby, A. Abba Touré, G. Kra, J. Olivier-Fourcade, J-C. Jumas, C. Perez Vicente, Phase diagram and local environment of Sn and Te: SnTe-Bi and SnTe-Bi2Te3 systems, Comptes Rendus de l’Académie Des Sciences - Series IIC - Chemistry, 3(1), 51 (2000); https://doi.org/0.1016/s1387-1609(00)00105-5.

Cn. Chiu, Cm. Hsu, Sw. Chen, Hj. Wu, Phase Equilibria of the Sn-Bi-Te Ternary System, J. Electron. Mater., 41, 22 (2012); https://doi.org/10.1007/s11664-011-1730-x.

O.G. Karpinskii, L.E. Shelimova, M.A. Kretova, E.S. Avilov, V.S. Zemskov, X-ray Diffraction Study of Mixed-Layer Compounds in the Pseudobinary System SnTe–Bi2Te3, Inorganic Materials, 39, 240 (2003); https://doi.org/10.1023/A:1022669323255.

D. Huang, D. Xia, T. Ye, T. Fujita, New experimental studies on the phase relationship of the Bi–Pb–Te system, Materials & Design, 224, 111384 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111384.

L.E. Shelimova, O.G. Karpinskii, P.P. Konstantinov, E. S. Avilov, M.A. Kretova, I.Yu. Nikhezina,V.S. Zemskov, Thermoelectric materials based on intermediate phases in the systems formed by chalcogenides of lead and bismuth, Inorg. Mater. Appl. Res., 1, 83 (2010); https://doi.org/10.1134/S2075113310020024.

B.A. Kuropatwa, H. Kleinke, Thermoelectric Properties of Stoichiometric Compounds in the (SnTe)x(Bi2Te3)y System, Z. anorg. allg. Chem., 638(15) 2640 (2012); https://doi.org/10.1002/zaac.201200284.

O.G. Karpinskii, L.E. Shelimova, E.S. Avilov, M.A. Kretova, V.S. Zemskov, X-ray Diffraction Study of Mixed-Layer Compounds in the PbTe–Bi2Te3 System, Inorg. Mater., 38, 17 (2002); https://doi.org/10.1023/A:1013639108297.

L.E.Shelimova, O.G. Karpinskii, T.E. Svechnikova, E.S. Avilov, M.A. Kretova, V.S. Zemskov, Synthesis and structure of layered compounds in the PbTe−Bi2Te3 and PbTe−Sb2Te3 systems, Inorg. Mater., 40, 1264 (2004); https://doi.org/10.1007/s10789-005-0007-2.

A.E. Seidzade, E.N. Orujlu, Z.S. Aliev, M.B. Babanly, New investigation of phase equilibria in the SnTe-Bi2Te3 system, 10th Rostocker International Conference: “Thermophysical Properties for Technical Thermodynamics” (Rostock, Germany, 2021), P.134.

I.M. Gojayeva, V.I. Babanly, A.I. Aghazade, E.N. Orujlu, Experimental reinvestigation of the PbTe–Bi2Te3 pseudo-binary system, J. Azerb. Chem., 1(2), 47 (2022); https://doi.org/10.32737/0005-2531-2022-2-47-53.

L. Pan, J. Li, D. Berardan, N. Dragoe, Transport properties of the SnBi2Te4–PbBi2Te4 solid solution, J. Solid State Chem., 225, 168 (2015); https://doi.org/10.1016/j.jssc.2014.12.016.