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Diséléniure de tungstène

Le diséléniure de tungstène est un composé chimique de formule WSe2. Il se présente sous la forme d'un solide gris anthracite à noir, inodore, cristallisé dans une structure hexagonale du groupe d'espace P63/mmc (no 194) semblable à celle du disulfure de molybdène MoS2. Chaque atome de tungstène est lié à six atomes de sélénium avec une configuration prismatique trigonale tandis que chaque atome de sélénium est lié à trois atomes de tungstène avec une géométrie pyramidale trigonale. Les liaisons W–Se ont une longueur de 252,6 pm, tandis que la distance entre atomes de sélénium est de 334 pm[5]. Il s'agit d'un semiconducteur de type dichalcogénure de métal de transition du groupe 6.

Diséléniure de tungstène
Image illustrative de l’article Diséléniure de tungstène
__ W4+ __ Se2−
Structure cristalline du diséléniure de tungstène
Identification
No CAS 12067-46-8
No ECHA 100.031.877
No CE 235-078-7
No RTECS YO7714000
PubChem 82910
SMILES
InChI
Apparence solide noir inodore[1]
Propriétés chimiques
Formule Se2WWSe2
Masse molaire[2] 341,76 ± 0,07 g/mol
Se 46,21 %, W 53,79 %,
Propriétés physiques
T° fusion se décompose à 850 °C[3]
Masse volumique 9,32 g·cm-3[4]
Précautions
SGH[1]
SGH06 : ToxiqueSGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H373, H410, P260, P264, P311, P301+P310, P304+P340 et P403+P233
NFPA 704[1]

Symbole NFPA 704.
Transport[1]
-
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Outre cette structure hexagonale semiconductrice, il existe également une structure tétragonale métallique métastable qui tend à redonner la structure hexagonale[6] - [7].

Le disléléniure de tungstène est un exemple classique de matériau en feuillets, maintenus ensemble par des forces de van der Waals comme dans le graphite. Au sein de chaque feuillet, les atomes sont liés par covalence sans laisser d'électron célibataire, de sorte que les surfaces sont chimiquement stables et fixent peu d'impuretés, tandis que les feuillets peuvent être facilement séparés les uns des autres[8]. Ces feuillets ne sont cependant pas aussi fins que ceux du graphite, la grande taille de l'ion tungstène rendant la structure du WSe2 plus sensible aux actions extérieures que le disulfure de molybdène MoS2[7].

On peut obtenir le diséléniure de tungstène directement à partir des éléments purs à 500 °C[3] ou, plus finement, par pulvérisation cathodique afin de réaliser des dépôts de couches minces à structure hexagonale ayant la bonne stœchiométrie[9] :

W + 2 Se ⟶ WSe2.

Les dichalcogénures de métaux de transition sont des semiconducteurs ayant des applications possibles dans les domaines des cellules photovoltaïques et de la photonique[10]. Le diséléniure de tungstène a une largeur de bande interdite optique d'environ 1,35 eV avec une dépendance de température de −0,46 meV/K[11]. Les photoélectrodes en WSe2 sont stables en conditions aussi bien acides que basiques, ce qui les rend intéressantes pour les cellules photoélectrochimiques[12] - [13] - [14].

Les propriétés des monocouches de diséléniure de tungstène diffèrent de celles du matériau massif, comme c'est généralement le cas pour les semiconducteurs. Les monocouches exfoliées mécaniquement sont des matériaux photovoltaïques transparents ayant des propriétés de diode électroluminescente[15]. Le diséléniure de tungstène peut être modifié en type p ou en type n en modifiant la tension électrique appliquée à une électrode métallique adjacente de positive à négative, ce qui permet de moduler la largeur de bande interdite des composés réalisés en WSe2[16].

Outre ses applications photovoltaïques, le diséléniure de tungstène fait l'objet d'applications comme lubrifiant solide[18] et comme substrat pour l'autoassemblage d'atomes métalliques sur ses surfaces. On a par ailleurs caractérisé le WSe2 comme un matériau ayant une conductivité thermique particulièrement faible en raison de sa structure en feuillets[19].

Notes et références
  1. « Fiche du composé Tungsten(IV) selenide, 99.8% (metals basis) », sur Alfa Aesar (consulté le ).
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. (en) Hermann Jehn, Gudrun Bär, Erich Best, Ernst Koch, W Tungsten Supplement Volume A 5 b Metal, Chemical Reactions with Nonmetals Nitrogen to Arsenic, Springer Science & Business Media, 2013, p. 117. (ISBN 978-3-662-08684-1)
  4. (en) M. K. Agarwal et P. A. Wani, « Growth conditions and crystal structure parameters of layer compounds in the series Mo1−xWxSe2 », Materials Research Bulletin, vol. 14, no 6,‎ , p. 825-830 (DOI 10.1016/0025-5408(79)90144-2, lire en ligne)
  5. (en) W. J. Schutte, J. L. De Boer et F. Jellinek, « Crystal structures of tungsten disulfide and diselenide », Journal of Solid State Chemistry, vol. 70, no 2,‎ , p. 207-209 (DOI 10.1016/0022-4596(87)90057-0, Bibcode 1987JSSCh..70..207S, lire en ligne)
  6. (en) Yuqiang Ma, Bilu Liu, Anyi Zhang, Liang Chen, Mohammad Fathi, Chenfei Shen, Ahmad N. Abbas, Mingyuan Ge, Matthew Mecklenburg et Chongwu Zhou, « Reversible Semiconducting-to-Metallic Phase Transition in Chemical Vapor Deposition Grown Monolayer WSe2 and Applications for Devices », ACS Nano, vol. 9, no 7,‎ , p. 7383-7391 (PMID 26125321, DOI 10.1021/acsnano.5b02399, lire en ligne)
  7. (en) Ali Eftekhari, « Tungsten dichalcogenides (WS2, WSe2, and WTe2): materials chemistry and applications », Journal of Materials Chemistry A, vol. 5, no 35,‎ , p. 18299-18325 (DOI 10.1039/c7ta04268j, lire en ligne)
  8. (en) Thien Binh Vu, N. Garca-A, Klaus Dransfeld, Nanosources and Manipulation of Atoms Under High Fields and Temperatures: Applications, Springer Science & Business Media, 1993, p. 295. (ISBN 978-0-7923-2266-5)
  9. (en) J. Pouzet, J. C. Bernede, A. Khellil, H. Essaidi et S. Benhida, « Preparation and characterization of tungsten diselenide thin films », Thin Solid Films, vol. 208, no 2,‎ , p. 252-259 (DOI 10.1016/0040-6090(92)90652-R, Bibcode 1992TSF...208..252P, lire en ligne)
  10. (en) Kin Fai Mak et Jie Shan, « Photonics and optoelectronics of 2D semiconductor transition metal dichalcogenides », Nature Photonics, vol. 10, no 4,‎ , p. 216-226 (DOI 10.1038/nphoton.2015.282, Bibcode 2016NaPho..10..216M, lire en ligne)
  11. (en) L. C. Upadhyayula, J. J. Loferski, A. Wold, W. Giriat et R. Kershaw, « Semiconducting Properties of Single Crystals of n‐ and p‐Type Tungsten Diselenide (WSe2) », Journal of Applied Physics, vol. 39, no 10,‎ , p. 4736-4740 (DOI 10.1063/1.1655829, Bibcode 1968JAP....39.4736U, lire en ligne)
  12. (en) J. Gobrecht, H. Gerischer et H. Tributsch, « Electrochemical Solar Cell Based on the d‐Band Semiconductor Tungsten‐Diselenide », Berichte der Bunsengesellschaft für physikalische Chemie, vol. 82, no 12,‎ , p. 1331-1335 (DOI 10.1002/bbpc.19780821212, lire en ligne)
  13. (en) Fengnian Xia, Han Wang, Di Xiao, Madan Dubey et Ashwin Ramasubramaniam, « Two-dimensional material nanophotonics », Nature Photonics, vol. 8, no 12,‎ , p. 899-907 (DOI 10.1038/nphoton.2014.271, Bibcode 2014NaPho...8..899X, arXiv 1410.3882, lire en ligne)
  14. (en) Xin Zhang, Xiao-Fen Qiao, Wei Shi, Jiang-Bin Wu, De-Sheng Jiang et Ping-Heng Tan, « Phonon and Raman scattering of two-dimensional transition metal dichalcogenides from monolayer, multilayer to bulk material », Chemical Society Reviews, vol. 44, no 9,‎ , p. 2757-2785 (PMID 25679474, DOI 10.1039/c4cs00282b, Bibcode 2015arXiv150200701Z, arXiv 1502.00701, lire en ligne)
  15. (en) Hai Li, Jumiati Wu, Zongyou Yin et Hua Zhang, « Preparation and Applications of Mechanically Exfoliated Single-Layer and Multilayer MoS2 and WSe2 Nanosheets », Accounts of Chemical Research, vol. 47, no 4,‎ , p. 1067-1075 (PMID 24697842, DOI 10.1021/ar4002312, lire en ligne)
  16. (en) Sung-Joon Lee, Zhaoyang Lin, Jin Huang, Christopher S. Choi, Peng Chen, Yuan Liu, Jian Guo, Chuancheng Jia, Yiliu Wang, Laiyuan Wang, Qingliang Liao, Imran Shakir, Xidong Duan, Bruce Dunn, Yue Zhang, Yu Huang et Xiangfeng Duan, « Programmable devices based on reversible solid-state doping of two-dimensional semiconductors with superionic silver iodide », Nature Electronics, vol. 3,‎ , p. 630-637 (DOI 10.1038/s41928-020-00472-x, lire en ligne)
  17. (en) Yung-Chang Lin, Torbjörn Björkman, Hannu-Pekka Komsa, Po-Yuan Teng, Chao-Hui Yeh, Fei-Sheng Huang, Kuan-Hung Lin, Joanna Jadczak, Ying-Sheng Huang, Po-Wen Chiu, Arkady V. Krasheninnikov et Kazu Suenaga, « Three-fold rotational defects in two-dimensional transition metal dichalcogenides », Nature Communications, vol. 6,‎ , article no 6736 (PMID 25832503, PMCID 4396367, DOI 10.1038/ncomms7736, Bibcode 2015NatCo...6.6736L, lire en ligne)
  18. (de) Klaus Lüders et Gebhard von Oppen, Klassische Physik - Mechanik und Wärme, Walter de Gruyter, 2012, p. 239. (ISBN 978-3-11-022668-3)
  19. (en) Catalin Chiritescu, David G. Cahill, Ngoc Nguyen, David Johnson, Arun Bodapati, Pawel Keblinski et Paul Zschack, « Ultralow Thermal Conductivity in Disordered, Layered WSe2 Crystals », Science, vol. 315, no 5810,‎ , p. 351-353 (PMID 17170252, DOI 10.1126/science.1136494, Bibcode 2007Sci...315..351C, lire en ligne)
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