Селени́д ви́смута(III) (сексвиселенид висмута), химическое соединение висмута и селена с формулой Bi₂Se₃. Образует редкий минерал гуанахуатит.

Физические свойства

Селенид висмута(III) представляет собой серые кристаллы, которые имеют металлический блеск на сколах и легко отслаиваются.

Селенид висмута является узкозонным полупроводником, ширина запрещённой зоны составляет 0,35 эВ (при комнатной температуре). При этом до настоящего времени нет единой точки зрения о расположении запрещённой зоны и о том, является ли селенид висмута прямозонным или непрямозонным полупроводником: как показывают спектроскопические эксперименты и квантовомеханические расчёты, максимум валентной зоны и минимум зоны проводимости лежат либо в точке Γ – центре зоны Бриллюэна, либо в низкосимметричных её точках на направлении Z–F. Тонкие плёнки селенида висмута имеют более широкую запрещённую зону.

Кристаллическая структура селенида висмута относится к тригональной сингонии с параметрами элементарной ячейки a = 4,134 Å, c = 28,67 Å; имеет структурный тип тетрадимита (Bi₂Te₂S), причём обе кристаллографические позиции халькогена занимают атомы селена. Для этой структуры характерно чередование пятислойных пакетов Se–Bi–Se–Bi–Se, внутри которых действуют прочные ионно-ковалентные связи, а между пакетами – слабые ван-дер-ваальсовы связи. В результате этого кристаллы обладают сильной анизотропией свойств.

Кристаллическая структура селенида висмута(III).Кристаллическая структура селенида висмута(III).Селенид висмута плавится конгруэнтно при температуре 706 °C. Состав несколько смещён от стехиометрического в сторону избытка висмута. Дополнительные атомы висмута проявляют донорные свойства, поэтому нелегированный селенид висмута обладает только n-типом проводимости с концентрацией носителей заряда 3·10¹⁸–3·10¹⁹ см^–3. Селенид висмута приобретает p-тип проводимости при легировании магнием (Mg) и кальцием (Ca).

Селенид висмута проявляет свойства топологического изолятора 2-го рода – имеет топологически защищённые, спин-поляризованные проводящие электронные состояния на поверхности при наличии запрещённой зоны в объёме материала.

Химические свойства

Кристаллы селенида висмута устойчивы к окислению в атмосфере при комнатной температуре. При нагревании окисляются до смешанных оксидов.

Получение

Основной метод синтеза – прямая реакция между висмутом и селеном при нагревании в отсутствие воздуха (в вакуумированных кварцевых ампулах). Рост монокристаллов обычно осуществляется методом Бриджмена (в частности, модифицированным методом Бриджмена – Стокбаргера).

Синтез плёнок селенида висмута может осуществляться напылением из пара, молекулярно-лучевой эпитаксией, сольвотермальным синтезом. Плёнки толщиной в один пентаслой (одну кристаллическую ячейку) могут быть получены эксфолиацией химически синтезированного материала.

Применение

Селенид висмута – один из наиболее распространённых термоэлектрических материалов. Наиболее эффективно применение при средних и низких температурах, в том числе вблизи комнатной температуры. Для термоэлектрического применения используется легирование материала медью (Cu), а также твёрдые растворы Bi₂(Se,Te)₃, (Bi,Sb)₂(Se,Te)₃. Хорошие термоэлектрические свойства этого класса материалов связаны с низкими скоростями распространения фононов, которые, в свою очередь, вызваны характером химической связи и наличием в составе тяжёлого элемента висмута. Кроме того, большие элементарные ячейки и сильные ангармонические взаимодействия приводят к особенно низкой термической проводимости в сочетании с высокой подвижностью носителей заряда и средней величиной запрещённой зоны.

Плёнки толщиной в один пентаслой имеют значительно более высокий коэффициент Зеебека, в связи с чем перспективны в качестве замены объёмному материалу. Также улучшенные свойства имеет нанокристаллический материал, полученный сольвотермальным методом.

Селенид висмута применяется в оптических системах записи и фотоэлектрохимических устройствах. Наноматериалы селенида висмута перспективны как фотодетекторы.

В качестве топологического изолятора селенид висмута перспективен для применения в спинтронике и для создания квантовых компьютеров. Ведётся разработка полевых транзисторов и полевых электронных эмиттеров на основе топологических состояний в тонких плёнках селенида висмута. На основе топологических поверхностных состояний также могут быть созданы сенсоры, в частности для измерения влажности с использованием селенида висмута, легированного Cu.

Тонкие плёнки селенида висмута перспективны для улучшения эффективности литий-ионных батарей.