Sincrotrón ALBA
Investigadores de la Universitat Politècnica de València, la Universidad de La Laguna, la Universidad de Cantabria y el Sincrotrón ALBA han publicado un nuevo trabajo sobre la química de alta presión en el calcogenuro sulfuro de galio (III). En este trabajo se muestran las huellas relevantes (vibracionales y estructurales) de una transición de fase paraeléctrica a ferroeléctrica inducida por la presión.
Es la primera vez que se sintetiza y se observa experimentalmente una fase tipo tetradimita (R3m) en sequicalcogenuros basados en galio. Las medidas de difracción de rayos X a alta presión se llevaron a cabo en la línea de luz MSPD de ALBA.
El sulfuro de galio (III) (Ga2S3) es un compuesto de azufre y galio, semiconductor que tiene una amplia variedad de aplicaciones en electrónica y fotónica: nano optoelectrónica, chips fotónicos, electro-catálisis, conversión y almacenamiento de energía, dispositivos de energía solar, sensores de gas, detección de radiación láser, generación de segundo armónico, memorias de cambio de fase o sistemas fotocatalíticos de división de agua.
En este trabajo publicado en Chemistry of Materials, los científicos han mostrado las huellas vibracionales y estructurales relevantes de una transición de fase paraeléctrica a ferroeléctrica R-3m-a-R3m (β'-a-φ) inducida por presión en el calcogenuro Ga2S3.
Esta transición havia sido predicha teóricamente en varios compuestos B2X3 III-VI a alta temperatura (donde B puede ser aluminio, galio o indio y X, azufre, selenio o telurio). La novedad de esta investigación radica en la síntesis de ambas fases: las estructuras β-(R-3m) y α-In2Se3 (R3m) sobre Ga2S3 y su ajuste mediante la disminución de la presión. Dentro de los compuestos III-VI B2X3, esta transición de fase de R-3m a R3m (β'-a-φ-Ga2S3) sólo se había observado experimentalmente en el seleniuro de indio (III) (In2Se3), bajo temperatura o presión variables, hasta la fecha.
Este hallazgo abre el camino para el diseño de dispositivos baratos, no tóxicos, no raros y basados en elementos abundantes para la generación de segundo armónico, división fotocatalítica y aplicaciones ferroeléctricas, piroeléctricas y piezoeléctricas basadas en Ga2S3.
Química de alta presión y luz de sincrotrón
En cuanto a la metodología, el equipo de investigación llevó a cabo mediciones de dispersión Raman a alta presión y difracción de rayos X en la línea de luz MSPD de ALBA, junto con cálculos ab initio a diferentes presiones. Los resultados arrojaron luz sobre varias cuestiones no resueltas hasta la fecha. En la compresión, los científicos demostraron que el α'-Ga2S3 experimenta una transición de fase por encima de 16 GPa a β'-Ga2S3, isoestructura con el β-In2Se3. A diferencia de un trabajo anterior, los investigadores demuestran que esta transición se produce sin necesidad de calentamiento por láser. En la descompresión, se desveló la transición de fase R-3m-a-R3m (β'-a-φ) paraeléctrica-ferroeléctrica inducida por la presión por debajo de 9,0 GPa. Por último, se propuso una nueva fase en bajada por debajo de 1,0 GPa, la γ- Ga2S3, con una estructura de zincblenda defectuosa. Estas fases observadas tanto en aumento como en disminución de la presión en el Ga2S3 permitieron a los científicos reformular el esquema de comportamiento bajo presión para los compuestos libres ordenados (ordered vacancy compounds o OVCs) per AGa2X4, incluyendo los calcogenuros del Ga2X3, considerados como otro tipo de OVCs. Se discutió la predicción teórica de la obtención de las fases R-3m y R3m en estos últimos compuestos al aumentar/disminuir la presión. En este sentido, se sugieren nuevos estudios de alta presión para encontrar fases paraeléctricas y ferroeléctricas en los compuestos Ga2Se3 y Ga2Te3.
Ilustración esquemática de las transiciones de fase desveladas bajo compresión/descompresión en el sistema Ga2Se3. Espectros seleccionados de dispersión Raman (b) y patrones de difracción de rayos X (c) del α'-, β'-, φ- y γ-Ga2Se3 bajo compresión/descompresión.
Con la colaboración de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología. El Sincrotrón ALBA forma parte de la red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación (UCC+i) de la Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT) y ha recibido apoyo a través del proyecto FCT-21-17088.