Монохалькогениды самария представляют собой химические соединения с составом SmX, где Sm обозначает элемент лантаноида самарий , а X обозначает любой из трех элементов халькогена , серу , селен или теллур , что приводит к соединениям SmS , SmSe или SmTe . В этих соединениях самарий формально проявляет степень окисления +2, тогда как обычно он принимает состояние +3, что приводит к халькогенидам с химической формулой Sm2X3 .
Монокристаллы или поликристаллы монохалькогенидов самария могут быть получены путем взаимодействия металла с парами серы, селена или теллура при высокой температуре. [1] Тонкие пленки могут быть получены методом магнетронного распыления [2] или методом физического осаждения из паровой фазы электронным лучом , то есть бомбардировкой металлической мишени самария электронами в атмосфере соответствующего газа (например, сероводорода для SmS). [3]
Монохалькогениды самария — это черные полупроводниковые твердые вещества с кубической кристаллической структурой каменной соли . Применение умеренного гидростатического давления превращает их в металлы. В то время как переход непрерывен и происходит примерно при 45 и 60 кбар в SmSe и SmTe соответственно, в SmS он резкий и требует всего 6,5 кбар. Похожий эффект наблюдается в монохалькогенидах другого лантаноида, тулия . [4] Это приводит к впечатляющему изменению цвета с черного на золотисто-желтый при царапании или механической полировке SmS. [3] [5] Переход не изменяет кристаллическую структуру, но происходит резкое уменьшение (примерно на 15%) [6] объема кристалла. Наблюдается гистерезис , то есть при сбросе давления SmS возвращается в полупроводниковое состояние при гораздо более низком давлении около 0,5 кбар. [1]
Не только цвет и электропроводность, но и другие свойства изменяются в монохалькогенидах самария с ростом давления. Их металлическое поведение является результатом уменьшения ширины запрещенной зоны , которая при нулевом давлении составляет 0,15, 0,45 и 0,65 эВ в SmS, SmSe и SmTe соответственно. [1] [4] При давлении перехода (6,5 кбар в SmS) щель все еще конечна, а низкое удельное сопротивление возникает из-за термически активированной генерации носителей через узкую запрещенную зону. Щель схлопывается примерно при 20 кбар, когда SmS становится настоящим металлом. При этом давлении материал также переходит из парамагнитного в магнитное состояние. [6]
Переход полупроводник-металл в монохалькогенидах самария требует приложения давления или наличия внутреннего напряжения, например, в тонких пленках, а обратные изменения происходят при снятии этого напряжения. Такое снятие напряжения может быть вызвано различными способами, такими как нагревание до примерно 200 °C [3] или облучение импульсным лазерным лучом высокой интенсивности. [2] [7]
Изменение электрического сопротивления в монохалькогенидах самария может быть использовано в датчике давления или в запоминающем устройстве, переключаемом между состояниями с низким и высоким сопротивлением под действием внешнего давления, [8] и такие устройства разрабатываются в коммерческих целях. [9] Моносульфид самария также генерирует электрическое напряжение при умеренном нагревании до температуры около 150 °C, которое может применяться в термоэлектрических преобразователях энергии . [10]