Disordering and Conversion of Lead Selenide into an Efficient Ferroelectric Based on Lead Selenite

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An approach is proposed to reduce the stability of the cubic phase of lead selenide by thermal oxidation with atmospheric oxygen and its transformation into an ordered monoclinic phase of lead selenite. An estimated thermodynamic analysis (TA) of the course of possible chemical reactions of lead selenide oxidation with oxygen is carried out. The kinetics of lead selenide oxidation with atmospheric oxygen are studied by X-ray emission analysis, X-ray diffractometry, optical reflection in the infrared region of the spectrum, studies of conductivity in direct and alternating currents, and nuclear magnetic resonance. For the PbSeO3 structure, the Goldschmidt stability factor was estimated and it was shown that the structure can be classified as perovskite-like and have ferroelectric properties.

About the authors

V. V. Tomaev

St. Petersburg State Technological Institute (Technical University); St. Petersburg Mining University

Email: tvaza@mail.ru
190013, St. Petersburg, Russia; 199106, St. Petersburg, Russia

A. G. Syrkov

St. Petersburg Mining University

Email: tvaza@mail.ru
199106, St. Petersburg, Russia

M. M. Sychev

St. Petersburg State Technological Institute (Technical University)

Author for correspondence.
Email: tvaza@mail.ru
190013, St. Petersburg, Russia

References

  1. Hou Y., Wu C., Yang D., Ye T., Honavar V.G., van Duin A.C.T., Wang K., Priya S. Two-dimensional hybrid organic–inorganic perovskites as emergent ferroelectric materials // J. Appl. Phys. 2020. V. 128. 060906. P. 1–16.
  2. Kuroiwa Y., Kim S., Fujii I., Ueno S., Nakahira Y., Moriyoshi C., Sato Y., Wada S. Piezoelectricity in perovskite-type pseudo-cubic ferroelectrics by partial ordering of off-centered cations // Communications materials. 2020. V. 71. № 1. P. 1–8.
  3. Ivanov S.A., Stash A.I., Riekehr L., Chen Y.-S., Ye Z.-G. Structure of Pb(Fe2/3W1/3)O3 single crystals with partial cation order // Scientific Reports. 2020. V. 10. 14567. P. 1-15.
  4. Kvyatkovskii O.E. Point Defects in Ferroelectrics with Perovskite Structure // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2010. V. 74. № 9. P. 1190–1197.
  5. Xu L., Wang Z., Su B., Wang C., Yang X., Su R., Long X., He C. Origin of Structural Change Driven by A-Site Lanthanide Doping in ABO3-Type Perovskite Ferroelectrics // Crystals. 2020. V. 10. 434. P. 1–12.
  6. Tyunina M. Oxygen Vacancies in Perovskite Oxide Piezoelectrics // Materials. 2020. V. 13. 5596. P. 1–11.
  7. Celano U., Gomez A., Piedimonte P., Neumayer S., Collins L., Popovici M., Florent K., McMitchell S.R.C., Favia P., Drijbooms Ch., Bender H., Paredis K., Di Piazza L., Jesse S., Houdt J.V., van der Heide P. Ferroelectricity in Si-Doped Hafnia: Probing Challenges in Absence of Screening Charges // Nanomaterials. 2020. V. 10. 1576. P. 1–15.
  8. Olkhova A.A., Patrikeeva A.A., Sergeev M.M. Electrical and Optical Properties of Laser-Induced Structural Modifications in PbSe // Films. Appl. Sci. 2022. V. 12. 10162.
  9. Thambidurai M., Jang Y., Shapiro A., Yuan G., Xiaonan H., Xuechao Y., Wang Q.J., Lifshitz E., Demir H.V., Dang C. High performance infrared photodetectors up to 2.8 μm wavelength based on lead selenide colloidal quantum dots // Optical Materials Express. 2017. V. 7. № 7. P. 2326–2335.
  10. Maraeva E., Maximov A., Permiakov N., Moshnikov V. Thermodynamic Analysis and Experimental Study on the Oxidation of PbX (X = S, Se) Nanostructured Layers // Micromachines. 2022. V. 13. 1209.
  11. Kovalyuk V., Sheveleva E., Auslender M., Goltsman G., Shneck R., Dashevsky Z. Polycrystalline PbTe:In Films on Amorphous Substrate: Structure and Physical Properties // Materials 2022. V. 15. P. 8383.
  12. Abouelkhair H., Figueiredo P.N., Calhoun S.R., Fredricksen C.J., Oladeji I.O., Smith E.M., Cleary J.W., Peale R.E. Ternary lead-chalcogenide room-temperature mid-wave infrared detectors grown by spray-deposition // MRS Adv. 2018. № 3. P. 291–297.
  13. Spivak, Y.M. Kononova, I.E. Kononov, P.V. Moshnikov, V.A. Ignat’ev, S.A. The Architectonics Features of Heterostructures for IR Range Detectors Based on Polycrystalline Layers of Lead Chalcogenides // Crystals. 2021. V. 11. 1143.
  14. Kellermann K., Zimin D., Alchalabi K., Gasser P., Pikhtin N.A., Zogg H. Optically pumped lead-chalcogenide midinfrared lasers on Si substrates // J. Applied Physics. 2003. V. 94. № 11. P. 7053–7058.
  15. Wang Y., Bai X., Wang T., Yan L., Zhang T., Zhang Y., Yu W.W. Efficient near-infrared light-emitting diodes based on liquid PbSe quantum dots // Nanotechnology. 2017. V. 28. № 21.
  16. Yuan L., Michaels H., Roy R., Johansson M., Öberg V., Andruszkiewicz A., Zhang X., Freitag M., Johansson E.M.J. Four-Terminal Tandem Solar Cell with Dye-Sensitized and PbS Colloidal Quantum-Dot-Based Subcells // ACS Appl. Energy Mater. 2020. № 3. P. 3157–3161.
  17. Tomaev V.V., Makarov L.L., Solomennikov A.A., Tikhonov P.A. Oxidation Kinetics of Lead Selenide // Glass Physics and Chemistry. 2004. V. 30. № 4. P. 349–355.
  18. Tomaev V.V., Syrkov A.G. Structure-Properties Correlation of Lead Selenide-Lead Selenite Composite // Key Engineering Materials. 2020. Zurich. V. 854. (Jul): P. 39–44.
  19. Tomaev V.V. Ferroelectric Phase Transition in the PbSe + PbSeO3 Composite // Glass Physics and Chemistry. 2009. V. 35. № 6. P. 660–667.
  20. Ravich Y.I., Efimova B.A., Smirnov I.A. Semiconducting Lead Chalcogenides. N.Y.: Plenum Press, 1970. P. 85–216.
  21. Kvyatkovskii O.E. Microscopic theory of lattice instability in displacive type ferroelectrics // Ferroelectrics. 1994. V. 153. № 1. P. 201–206.
  22. Kvyatkovskii O.E. On Local-Field Effects in Semiconductors and Dielectrics // Fizika Tverdogo Tela. 1985. V. 27. № 9. P. 2673–2682.
  23. Kvyatkovskii O.E. Dipole-Dipole Interactions in Crystals and Ferroelectric Properties of A4B6 Compounds // Fizika Tverdogo Tela. 1986. V. 28. № 4. P. 983–990.
  24. Volkov B.A., Pankratov O.A. Crystal structures and symmetry of the electron spectrum of IV-VI semiconductors // JETP. 1978. V. 48. № 10. P. 687–696.
  25. Volkov B.A. Pankratov O.A. Electronic structure of point defects in A4B6 semiconductors // JETP. 1984. V. 88. № 1. P. 280–293.
  26. Патент 2155830 Российская Федерация, МПК C30B29/46 C30B23/02 C30B23/00. Способ приготовления шихты для получения твердых растворов халькогенидов свинца и олова парофазными методами: № 97111930/12: заявл. 09. 07.1997: опубл. 10.09.2000 / Бестаев М.В., Махин А.В., Мошников В.А., Томаев В.В. 9 с.
  27. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. М.: Высшая школа, 1972. 528 с.
  28. Колобков Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников. М.: Металлургия, 1975. 456 с.
  29. Термические константы веществ. Справочник. Под. Ред. Глушко В.П., М.: Изд. ВИНИТИ, 1965–1966.
  30. Ueda S.T., Kwak I., Abelson A., Wolf S., Qian C., Law M., Kummel A.C. Electronic passivation of PbSe quantum dot solids by trimethylaluminum vapor dosing // Applied Surface Science. 2020. V. 513. 145812. P. 1–8.
  31. Zhao F., Mukherjee S., Ma J., Li D., Elizondo S.L., Shi Z. Influence of oxygen passivation on optical properties of PbSe thin films // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92. 211110. P. 1–3.
  32. Peters J.L., van der Bok J.C., Hofmann J.P., and Vanmaekelbergh D. Hybrid Oleate–Iodide Ligand Shell for Air-Stable PbSe Nanocrystals and Superstructures // Chem. Mater. 2019. V. 31. № 7. P. 5808–5815.
  33. Bi G., Zhao F., Ma J., Mukherjee S., Li D., Shi Z. Modeling of the Potential Profile for the Annealed Polycrystalline PbSe Film // PIERS Online. 2009. V. 5. № 1. P. 61–64.
  34. Zhao F., Ma J., Li D., Mukherjee S., Bi G., Shi Z. Influence of Oxygen Post-Growth Annealing on Optical and Electrical Properties of PbSe Thin Films // J. Electronic Materials. 2009. V. 38. № 8. P. 1661–1665.
  35. Разина А.Г., Казаков В.А., Ашмарин А.А., Кочаков В.Д. Исследование состава пленочной системы Pb–Se и изменений ее структуры под действием температуры // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2018. 20(5–6). С. 129–140.
  36. Yan S., Yang Q., Feng S., Shen J., Yang J., Tang L., Leng C., Zhou D. Effect of Air Atmosphere Sensitization on Formation of PbSe p–n Junctions for High-Performance Photodetectors // J. Electronic Materials. 2020. V. 49. № 8.
  37. Третьякова Н.А. Исследование режимов термосенсибилизации пленок селенида свинца, полученных методом гидрохимического синтеза // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2014. № 7. С. 14–17.
  38. Dashevsky Z., Kasiyan V., Radovsky G., Shufer E., Auslender M. Mid-infrared photoluminescence of PbSe film structures up to room temperature // Proc. of SPIE. 2008. V. 7142 71420L-1-12.
  39. Razina A.G. Thermochromism of the semiconductor film system Pb–Se // IOP Conf. Series: J. Physics: Conf. Series. 2019. V. 20. № 5–6. P. 129–140.
  40. Peng X., Abelson A., Wang Y., Qian C., Shangguan J., Zhang Q., Yu L., Yin Z.-W., Zheng W., Bustillo K. C., Guo X., Liao H.-G., Sun S.-G., Law M., Zheng H. In Situ TEM Study of the Degradation of PbSe Nanocrystals in Air // Chem. Mater. 2019. V. 31. № 1. P. 190–199.
  41. Goodfellow B.W., Patel R.N., Panthani M.G., Smilgies D.-M., Korgel B.A. Melting and Sintering of a Body-Centered Cubic Superlattice of PbSe Nanocrystals Followed by Small Angle X-ray Scattering // J. Phys. Chem. C. Nanomater Interfaces. 2011. V. 115. № 4. P. 6397–6404.
  42. Popov V.P., Tikhonov P.A., Tomaev V.V. Investigation into the Mechanism of Oxidation on the Surface of Lead Selenide Semiconductor Structures // Glass Physics and Chemistry. 2003. V. 29. № 5. P. 494–500.
  43. Tomaev V.V., Miroshkin V.P., Gar’kin L.N., Tikhonov P.A. Dielectric properties and phase transition in the PbSe + PbSeO3 composite material // Glass Physics and Chemistry. 2005. V. 31. № 6. P. 812–819.
  44. Томаев В.В., Мирошкин В.П., Гарькин Л.Н. Влияние технологии изготовления двухфазного композита состава PbSe + PbSeO3 на его сопротивление // Физика и химия стекла. 2006. Т. 32. № 5. С. 789‒794.
  45. Томаев В.В., Мазур А.С., Гревцев А.С. Исследование процесса термического окисления селенида свинца методами ЯМР и РФА // Физика и химия стекла. 2017. Т. 43. № 1. С. 99‒105.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (66KB)
Indexing metadata
3.

Download (50KB)
Indexing metadata
4.

Download (112KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.В. Томаев, А.Г. Сырков, М.М. Сычев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».