Arseniuro di cadmio

Arseniuro di cadmio
Nomi alternativi
	Diarseniuro di tricadmio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare	Cd3As2
Massa molecolare (u)	487,08 g/mol
Aspetto	solido grigio scuro
Numero CAS	12006-15-4
Numero EINECS	234-484-1
PubChem	6391215
SMILES	[Cd+2].[Cd+2].[Cd+2].[AsH6-3].[AsH6-3]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/l, in c.s.)	3031
Solubilità in acqua	si decompone in acqua
Temperatura di fusione	716 °C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
	pericolo
Frasi H	301 - 312 - 330 - 350 - 400 - 410
Consigli P	201 - 202 - 260 - 261 - 264 - 270 - 271 - 273 - 280 - 281 - 284 - 301+310 - 302+352 - 304+340
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L'arseniuro di cadmio, chiamato anche diarseniuro di tricadmio, è un semimetallo inorganico della famiglia II-V con formula Cd₃As₂ composto da cadmio e arsenico.

Proprietà

Termiche

L'arseniuro di cadmio si dissocia tra i 220 °C e 280 °C secondo la seguente reazione:^[1]

{\ce {2Cd3As2(s)->6Cd(g)\ +\ As4(g)}}

È stata trovata una barriera energetica per la vaporizzazione non stechiometrica dell'arsenico a causa dell'irregolarità delle pressioni parziali con la temperatura. L'intervallo del gap energetico è compreso tra 0,5 e 0,6 eV. L'arseniuro di cadmio fonde a 716 °C e cambia fase a 615 °C.^[2]

Transizione di fase

L'arseniuro di cadmio puro subisce diverse transizioni di fase ad alte temperature, fasi che vengono etichettate come $\alpha$ (stabile), $\alpha '$ , $\alpha ''$ (metastabile) e $\beta$ ^[3]. A 593° avviene la transizione polimorfa $\alpha \to \beta$ :

{\ce {\alpha - Cd3As2 <=> \alpha ' -Cd3As2}}

si verifica a circa 500 K.

{\ce {\alpha '-Cd3As2 <=> \alpha ''- Cd3As2}}

si verifica a circa 742 K ed è una normale transizione di fase del primo ordine con un marcato ciclo di isteresi.

{\ce {\alpha '' - Cd3As2 <=> \beta - Cd3As2}}

si verifica a 868 K.

La diffrazione dei raggi X sul cristallo singolo è stata utilizzata per determinare i parametri reticolari dell'arseniuro di cadmio tra 23 °C e 700 °C. La transizione $\alpha \to \alpha '$ avviene lentamente e quindi è molto probabilmente una fase intermedia. La transizione $\alpha '\to \alpha ''$ avviene molto più velocemente di $\alpha \to \alpha '$ e ha un'isteresi termica molto piccola. Questa transizione provoca un cambiamento nel quadruplice asse della cellula tetragonale, causando il gemellaggio dei cristalli. La larghezza dell'anello è indipendente dalla velocità di riscaldamento, sebbene diventi più stretta dopo diversi cicli di temperatura^[4].

Elettronico

L'arseniuro di cadmio composto ha una pressione di vapore inferiore (0,8 atm) rispetto sia al cadmio che all'arsenico presi separatamente. L'arseniuro di cadmio non si decompone quando viene vaporizzato e ricondensato. Nell'arseniuro di cadmio a concentrazione del portatore è solitamente $(1-4)\times 10^{18}\,\mathrm {elettroni/cm^{3}}$ . Nonostante abbiano elevate concentrazioni di portatori, anche le mobilità degli elettroni sono molto elevate (fino a $10000\,\mathrm {cm^{2}/(V\cdot s)}$ a temperatura ambiente)^[5].

Nel 2014 l'arseniuro di cadmio ha dimostrato di essere un materiale semimetallico analogo al grafene che esiste in una forma 3D che dovrebbe essere molto più facile da modellare in dispositivi elettronici^[6]^[7]. I semimetalli Dirac (TDS) topologici tridimensionali (3D) sono analoghi di massa del grafene che mostrano anche una topologia non banale nella sua struttura elettronica che condivide somiglianze con gli isolanti topologici. Inoltre, un TDS può potenzialmente essere guidato in altre fasi esotiche (come semimetalli Weyl, isolanti di assioni e superconduttori topologici), la spettroscopia di fotoemissione risolta ad angolo ha rivelato una coppia di fermioni di Dirac 3D nell'arseniuro di cadmio. Rispetto ad altri TDS 3D, come per esempio il $\beta -$ cristobalite BiO₂, l'arseniuro di cadmio è stabile e ha velocità di Fermi molto più elevate. Il doping in situ è stato utilizzato per sintonizzare la sua energia di Fermi^[7].

Conduzione

L'arseniuro di cadmio è un semiconduttore II-V che mostra una conduttività intrinseca degenere del semiconduttore di tipo n con una grande mobilità, una bassa massa efficace e una banda di conduzione altamente non parabolica, o un semiconduttore Narrow-gap. Mostra una struttura a bande invertite e il gap di energia ottica, ad esempio, è inferiore a 0. Quando si deposita per evaporazione termica (deposizione), l'arseniuro di cadmio mostra l'effetto Schottky (emissione termoionica) e l'effetto Poole-Frenkel ad alti campi elettrici^[8].

Magnetoresistenza

L'arseniuro di cadmio mostra oscillazioni quantistiche molto forti nella resistenza anche alla temperatura relativamente alta di 100K^[9]. Ciò lo rende utile per testare i sistemi criomagnetici poiché la presenza di un segnale così forte è un chiaro indicatore di funzione^[chiarire].

Struttura cristallina

La cella unitaria dell'arseniuro di cadmio è tetragonale. Gli ioni di arsenico sono cubici ravvicinati e gli ioni di cadmio sono coordinati tetraedricamente. Lo studio dei siti tetraedrici vuoti hanno portato alla ricerca di von Stackelberg e Paulus (1935), che ne hanno determinato la struttura primaria. Ogni ione arsenico è circondato da ioni cadmio a sei degli otto angoli di un cubo distorto e i due siti vuoti sono alle diagonali^[10].

L'arseniuro di cadmio appartiene al gruppo spaziale I4₁cd (gruppo nº110) con passo reticolare $a=1,26512(3)\,\mathrm {nm}$ e $c=2,54435(4)\,\mathrm {nm}$ . Il suo simbolo di Pearson è tl160.

La struttura cristallina dell'arseniuro di cadmio è molto simile a quella del fosfuro di zinco (Zn₃P₂), dell'arseniuro di zinco (Zn₃As₂) e del fosfuro di cadmio (Cd₃P₂). Questi composti del sistema quaternario Zn-Cd-P-As presentano una soluzione solida continua completa^[11].

Effetto Nernst

L'arseniuro di cadmio viene utilizzato nei rivelatori a infrarossi che utilizzano l'effetto Nernst e nei sensori di pressione dinamica a film sottile. Può essere utilizzato anche per realizzare magnetoresistori e nei fotorivelatori^[12].

L'arseniuro di cadmio può essere usato come drogante per il tellururo di mercurio e cadmio.

Note

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^ (EN) A. Pietraszko e K. Łukaszewicz, Thermal expansion and phase transitions of Cd₃As₂ and Zn₃As₂, in Physica Status Solidi A, vol. 18, n. 2, 1973, pp. 723–730, DOI:10.1002/pssa.2210180234.
^ (EN) B. Dowgiałło-Plenkiewicz e P. Plenkiewicz, Inverted band structure of Cd₃As₂, in Physica Status Solidi B, vol. 94, 1979, p. K57, DOI:10.1002/pssb.2220940153.
^ (EN) M. Neupane, S.Y. Xu, R. Sankar, N. Alidoust, G. Bian, C. Liu, I. Belopolski, T.R. Chang, H.T. Jeng, H. Lin, A. Bansil, F. Chou e M.Z. Hasan, Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd₃As₂, in Nature Communications, vol. 5, 2014, p. 3786, DOI:10.1038/ncomms4786.
^ ^a ^b (EN) Z.K. Liu, J. Jiang, B. Zhou, Z.J. Wang, Y. Zhang, H.M. Weng, D. Prabhakaran, S.K. Mo, H. Peng, P. Dudin, T. Kim, M. Hoesch, Z. Fang, X. Dai, Z.X. Shen, D.L. Feng, Z. Hussain e Y.L. Chen, A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd₃As₂, in Nature Materials, vol. 13, n. 7, 2014, pp. 677–81, DOI:10.1038/nmat3990.
^ (EN) M. Din e R.D. Gould, Van der Pauw resistivity measurements on evaporated thin films of cadmium arsenide, Cd₃As₂, in Applied Surface Science, vol. 252, n. 15, 2006, pp. 5508–5511, DOI:10.1016/j.apsusc.2005.12.151.
^ (EN) A. Narayanan, M.D. Watson, S.F. Blake, N. Bruyant, L. Drigo, Y.L. Chen, D. Prabhakaran, B. Yan, C. Felser, T. Kong, P.C. Canfield e A.I. Coldea, Linear Magnetoresistance Caused by Mobility Fluctuations in-Doped, in Physical Review Letters, vol. 114, n. 11, 19 marzo 2015, DOI:10.1103/PhysRevLett.114.117201.
^ (EN) M.N. Ali, Q. Gibson, S. Jeon, B.B. Zhou, A. Yazdani e R.J. Cava, The Crystal and Electronic Structures of Cd₃As₂, the Three-Dimensional Electronic Analogue of Graphene, in Inorganic Chemistry, vol. 53, n. 8, 2014, pp. 4062–7, DOI:10.1021/ic403163d.
^ (EN) V. M. Trukhan, A. D. Izotov e T.V. Shoukavaya, Compounds and solid solutions of the Zn-Cd-P-As system in semiconductor electronics, in Inorganic Materials, vol. 50, n. 9, 2014, pp. 868-873, DOI:10.1134/S0020168514090143.
^ (EN) M.B. Din e R.D. Gould, High field conduction mechanism of the evaporated cadmium arsenide thin films, in ICSE'98. 1998 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics. Proceedings (Cat. No.98EX187), 1998, p. 168, DOI:10.1109/SMELEC.1998.781173, ISBN 0-7803-4971-7.

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[1] (EN) J.B. Westmore, K.H. Mann e A.W. Tickner, Mass Spectrometric Study of the Nonstoichiometric Vaporization of Cadmium Arsenide¹, in The Journal of Physical Chemistry, vol. 68, n. 3, 1964, pp. 606–612, DOI:10.1021/j100785a028.

[doi1073-2] (EN) S.E.R. Hiscocks e C.T. Elliott, On the preparation, growth and properties of Cd₃As₂, in Journal of Materials Science, vol. 4, n. 9, 1969, pp. 784–788, DOI:10.1007/BF00551073.

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[4] (EN) A. Pietraszko e K. Łukaszewicz, Thermal expansion and phase transitions of Cd₃As₂ and Zn₃As₂, in Physica Status Solidi A, vol. 18, n. 2, 1973, pp. 723–730, DOI:10.1002/pssa.2210180234.

[5] (EN) B. Dowgiałło-Plenkiewicz e P. Plenkiewicz, Inverted band structure of Cd₃As₂, in Physica Status Solidi B, vol. 94, 1979, p. K57, DOI:10.1002/pssb.2220940153.

[6] (EN) M. Neupane, S.Y. Xu, R. Sankar, N. Alidoust, G. Bian, C. Liu, I. Belopolski, T.R. Chang, H.T. Jeng, H. Lin, A. Bansil, F. Chou e M.Z. Hasan, Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd₃As₂, in Nature Communications, vol. 5, 2014, p. 3786, DOI:10.1038/ncomms4786.

[doi3990-7] (EN) Z.K. Liu, J. Jiang, B. Zhou, Z.J. Wang, Y. Zhang, H.M. Weng, D. Prabhakaran, S.K. Mo, H. Peng, P. Dudin, T. Kim, M. Hoesch, Z. Fang, X. Dai, Z.X. Shen, D.L. Feng, Z. Hussain e Y.L. Chen, A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd₃As₂, in Nature Materials, vol. 13, n. 7, 2014, pp. 677–81, DOI:10.1038/nmat3990.

[8] (EN) M. Din e R.D. Gould, Van der Pauw resistivity measurements on evaporated thin films of cadmium arsenide, Cd₃As₂, in Applied Surface Science, vol. 252, n. 15, 2006, pp. 5508–5511, DOI:10.1016/j.apsusc.2005.12.151.

[9] (EN) A. Narayanan, M.D. Watson, S.F. Blake, N. Bruyant, L. Drigo, Y.L. Chen, D. Prabhakaran, B. Yan, C. Felser, T. Kong, P.C. Canfield e A.I. Coldea, Linear Magnetoresistance Caused by Mobility Fluctuations in-Doped, in Physical Review Letters, vol. 114, n. 11, 19 marzo 2015, DOI:10.1103/PhysRevLett.114.117201.

[10] (EN) M.N. Ali, Q. Gibson, S. Jeon, B.B. Zhou, A. Yazdani e R.J. Cava, The Crystal and Electronic Structures of Cd₃As₂, the Three-Dimensional Electronic Analogue of Graphene, in Inorganic Chemistry, vol. 53, n. 8, 2014, pp. 4062–7, DOI:10.1021/ic403163d.

[Trukhan-11] (EN) V. M. Trukhan, A. D. Izotov e T.V. Shoukavaya, Compounds and solid solutions of the Zn-Cd-P-As system in semiconductor electronics, in Inorganic Materials, vol. 50, n. 9, 2014, pp. 868-873, DOI:10.1134/S0020168514090143.

[12] (EN) M.B. Din e R.D. Gould, High field conduction mechanism of the evaporated cadmium arsenide thin films, in ICSE'98. 1998 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics. Proceedings (Cat. No.98EX187), 1998, p. 168, DOI:10.1109/SMELEC.1998.781173, ISBN 0-7803-4971-7.

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