Селени́д свинца́(II), химическое соединение свинца и селена с формулой PbSe, представляет интерес благодаря своим полупроводниковым свойствам. Образует редкий минерал клаусталит.

Физические свойства

Селенид свинца представляет собой свинцово-серые кристаллы с металлическим блеском на сколах. Относится к кубической сингонии, имеет структурный тип поваренной соли. Параметр кристаллической ячейки a = 6,1243 Å. При давлении выше 4,3–4,5 ГПа образует орторомбическую модификацию типа SnS или TlI с параметрами элементарной ячейки a = 11,61 Å, b = 4,00 Å, c = 4,39 Å, при давлении выше 16 ГПа – кубическую модификацию типа CsCl.

Является узкозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 0,28 эВ (при комнатной температуре). Для него характерно уменьшение ширины запрещённой зоны при охлаждении. PbSe – прямозонный полупроводник, максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости находятся в точке L зоны Бриллюэна. В зависимости от условий синтеза может быть получен как p-типа, так и n-типа (за счёт избытка свинца или селена по сравнению со стехиометрическим составом), максимальная концентрация носителей n-типа 2,3*10¹⁹ см^-3, p-типа – 2*10¹⁹ см^-3. Плавится конгруэнтно при 1080,7 ⁰C, при этом состав, отвечающий максимуму температуры плавления, несколько смещён в сторону избытка селена (50,005 ат. % Se). Область гомогенности в системе Pb-Se узкая, близка к симметричной (от 49,967 до 50,028 ат.% Se). Основные типы собственных дефектов – атомы свинца в междоузлиях и однократно ионизированные вакансии свинца. Селенид свинца отличается высокой мобильностью носителей заряда, как электронов, так и дырок (1,4*10⁵ см²/В*с при 4 К, 300 см²/В*с при комнатной температуре).

Примеси In, I, Cl проявляют себя в качестве донорных, Cu, Ag, Au, Tl, Na, Ga – акцепторных. Изовалентное легирование используется для регулирования зонной структуры, в частности ширины запрещённой зоны. При легировании оловом составу (Pb_0.8Sn_0.2)Se отвечает точка инверсии зон.

Химические свойства

Селенид свинца(II) нерастворим в воде, кристаллы устойчивы к окислению на воздухе при комнатной температуре (образуется тонкая пассивирующая плёнка смешанного оксида). При повышенных температурах, а также в мелкодисперсном состоянии окисляется кислородом, главным образом до PbSeO₃.

Получение

Основной метод синтеза – прямая реакция между свинцом и селеном при нагревании в отсутствие воздуха (в вакуумированных кварцевых ампулах). Как правило, реакция производится при сплавлении с медленным подъёмом температуры до 1200–1250 ⁰C, возможна также в паровой фазе. Также возможен синтез из водного раствора солей Pb(II) действием селеноводорода либо реакцией селенсодержащих и свинецсодержащих органических соединений.

Рост монокристаллов обычно осуществляется методом Бриджмена, может также производиться кристаллизацией из пара, а также зонной плавкой. Плёнки селенида свинца получают химическим осаждением в ванне, осаждением из паровой фазы, молекулярно-лучевой эпитаксией, магнетронным распылением. Для получения квантовых точек PbSe используют реакцию триоктилфосфинселенида и ацетата свинца в растворе, а также некоторые другие сочетания органических производных свинца и селена.

Применение

Селенид свинца(II) – один из первых материалов, для которых была обнаружена чувствительность к инфракрасному излучению. В качестве инфракрасного детектора продолжает широко использоваться и в настоящее время. Чувствителен в среднем инфракрасном диапазоне 1,5–5,2 мкм, имеет высокую детектирующую способность при комнатной температуре, при охлаждении чувствительность смещается в средне-дальнюю область ИК-диапазона. Отличается малым временем отклика, что позволяет использовать материал для создания быстро обновляемых изображений, в частности в тепловизорах, теплопеленгаторах. Используется для детектирования газообразных загрязнителей воздуха в спектрально-аналитической аппаратуре. Твёрдые растворы (Pb,Sn)Se используют в качестве детекторов возгорания и перегрева. Как правило, в детекторах PbSe применяется в виде поликристаллических плёнок.

Твёрдые растворы на основе PbSe применяются для создания активной среды в полупроводниковых лазерах дальнего ИК-диапазона.

PbSe является важным термоэлектрическим материалом благодаря хорошей электропроводности в сочетании с низкой теплопроводностью. Целесообразно его использование при повышенных температурах, начиная с 300 ⁰C. Для достижения необходимой электронной проводимости применяют PbSe с избытком свинца, легированный PbCl₂, для дырочной проводимости – легирование мышьяком PbSe с избытком селена, а также примесью теллура.

Использование PbSe в наноразмерном состоянии (в том числе в виде тонких нанокристаллических плёнок, квантовых точек) даёт возможность, в частности, регулировать ширину запрещённой зоны. Эффективность использования наноразмерного PbSe связана с сочетанием малых эффективных масс носителей заряда с высокой диэлектрической проницаемостью, благодаря чему квантовые эффекты начинают проявляться при размерах от 50 нм и ниже. Квантовые точки PbSe являются перспективными материалами для современных солнечных фотоэлементов благодаря тому, что для них была обнаружена многоэкситонная генерация с квантовым выходом 300 %. На основе тонких плёнок нанокристаллического PbSe предложено создание полевых транзисторов с обратимым переключением между n- и p-типом проводимости.