Arséniure de cadmium

Arséniure de cadmium
En haut : cristaux de Cd3As2 avec les orientations (112) et (400)[1] En bas : image STM de la surface (112)[1]
Identification
Synonymes	Diarséniure de tricadmium
N^o CAS	12006-15-4
N^o ECHA	100.031.336
N^o CE	234-484-1
PubChem	6391215
SMILES	[Cd+2].[Cd+2].[Cd+2].[As-3].[As-3] PubChem, vue 3D
InChI	InChI : vue 3D InChI=1/2As.3Cd/q2*-3;3*+2 InChIKey : PYIKGNIRLAMTQG-UHFFFAOYAS
Apparence	solide gris foncé
Propriétés chimiques
Formule	As2Cd3Cd3As2
Masse molaire[2]	487,076 ± 0,024 g/mol As 30,76 %, Cd 69,24 %,
Propriétés physiques
T° fusion	716°C
Masse volumique	3,031 g/cm^3
Cristallographie
Système cristallin	Tétragonal[3]
Symbole de Pearson	${\displaystyle tI208\,}$
Classe cristalline ou groupe d’espace	I41/acd n° 142-2
Paramètres de maille	a = 1,26512(3) nm c = 2,54435(4) nm
Précautions
SGH
Danger H301, H312, H330, H350, H410, P201, P202, P260, P261, P264, P270, P271, P273, P280, P281, P284, P310, P311, P312, P320, P321, P301+P310, P302+P352, P304+P340 et P308+P313 H301 : Toxique en cas d'ingestion H312 : Nocif par contact cutané H330 : Mortel par inhalation H350 : Peut provoquer le cancer (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H410 : Très toxique pour les organismes aquatiques, entraîne des effets à long terme P201 : Se procurer les instructions avant utilisation. P202 : Ne pas manipuler avant d’avoir lu et compris toutes les précautions de sécurité. P260 : Ne pas respirer les poussières/fumées/gaz/brouillards/vapeurs/aérosols. P261 : Éviter de respirer les poussières/fumées/gaz/brouillards/vapeurs/aérosols. P264 : Se laver … soigneusement après manipulation. P270 : Ne pas manger, boire ou fumer en manipulant ce produit. P271 : Utiliser seulement en plein air ou dans un endroit bien ventilé. P273 : Éviter le rejet dans l’environnement. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P281 : Utiliser l’équipement de protection individuel requis. P284 : Porter un équipement de protection respiratoire. P310 : Appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. P311 : Appeler un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. P312 : Appeler un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin en cas de malaise. P320 : Un traitement spécifique est urgent (voir … sur cette étiquette). P321 : Traitement spécifique (voir … sur cette étiquette). P301+P310 : En cas d'ingestion : appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. P302+P352 : En cas de contact avec la peau : laver abondamment à l’eau et au savon. P304+P340 : En cas d'inhalation : transporter la victime à l’extérieur et la maintenir au repos dans une position où elle peut confortablement respirer. P308+P313 : En cas d’exposition prouvée ou suspectée : consulter un médecin.
NFPA 704
1 4 0
Écotoxicologie
DL50	pas de données
Composés apparentés
Autres cations	Arséniure de zinc
Autres anions	Phosphure de cadmium
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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L'arséniure de cadmium (Cd₃As₂) est un semimétal de la famille II-V. Il présente l'effet Nernst.

Propriétés

Thermiques

Cd₃As₂ se dissocie entre 220 et 280°C selon la réaction^[4]

2 Cd₃As₂(s) → 6 Cd(g) + As₄(g)

Une barrière d'énergie a été constatée pour la vaporisation non-stœchiométrique de l'arsenic à cause de l'irrégularité de l'évolution des pressions partielles avec la température. La plage du gap d'énergie va de 0,5 à 0,6 eV. Cd₃As₂ fond à 716°C et change de phase à 615°C^[5].

Transitions de phase

L'arséniure de cadmium pur subit plusieurs transitions de phase à haute température, formant des phases appelées α (stable), α’, α” (métastables) et β^[6]. A 593°C, la transition polymorphe α → β se produit.

α-Cd₃As₂ ↔ α’-Cd₃As₂ se produit à ~500 K.

α’-Cd₃As₂ ↔ α’’-Cd₃As₂ se produit à ~742 K et est une transition de phase du premier ordre régulière avec une boucle d'hystérésis marquée.

α”-Cd₃As₂ ↔ β-Cd₃As₂ se produit à 868 K.

La diffraction des rayons X sur monocristal a été utilisée pour déterminer les paramètres cristallins de Cd₃As₂ entre 23 et 700°C. La transition α → α′ se produit lentement et est donc très probablement une phase intermédiaire. La transition α′ → α″ se produit beaucoup plus vite que α → α′ et a un très faible hystérésis thermique. Cette transition provoque un changement de l'axe quadruple de la maille tétragonale, formant des macles. La largeur de la boucle est indépendante de la vitesse de chauffage bien qu'elle devienne plus étroite après plusieurs cycles de température^[7].

Electroniques

Le composé arséniure de cadmium a une plus faible pression de vapeur (0,8 atm) que le cadmium et l'arsenic pris séparément. L'arséniure de cadmium ne se décompose pas lorsqu'il est vaporisé et re-condensé. La concentration de porteurs dans Cd₃As₂ est de l'ordre de (1–4)×10¹⁸ électrons/cm³. Bien qu'ayant une concentration de porteurs élevée, la mobilité des électrons est également très grande (jusqu'à 10000 cm²/(V·s) à température ambiante)^[8].

En 2014, il a été démontré que le Cd₃As₂ était un matériau semi-métallique analogue au graphène qui existe sous une forme 3D et qui devrait être beaucoup plus facile à convertir en dispositifs électroniques^[9],[10]. Les semi-métaux de Dirac topologiques (topological Dirac semimetals ou TDS) tridimensionnels (3D) sont les analogues massifs du graphène qui présentent également une topologie non-triviale dans leur structure électronique et qui partagent des similitudes avec les isolants topologiques. De plus, un TDS peut potentiellement être transformé en d'autres phases exotiques (telles que les semi-métaux de Weyl, les isolants d'axions et les supraconducteurs topologiques). La spectroscopie photoélectronique résolue en angle a révélé une paire de fermions de Dirac 3D dans Cd₃As₂. Comparé à d'autres TDS 3D, par exemple la β-cristobalite SiO₂ et Na₃Bi, Cd₃As₂ est stable et possède des vitesses de Fermi beaucoup plus élevées. Le dopage in situ a été utilisé pour ajuster son énergie de Fermi^[10].

Conduction

L'arséniure de cadmium est un semi-conducteur II-V présentant une conductivité intrinsèque de semi-conducteur de type n dégénéré avec une grande mobilité, une faible masse effective et une bande de conduction hautement non parabolique, ou un semi-conducteur à bande étroite. Il présente une structure de bande inversée, et le gap d'énergie optique, e_g, est inférieur à zéro. Lorsqu'il est déposé par évaporation thermique, l'arséniure de cadmium présente l'effet Schottky (émission thermoionique) et l'effet Poole-Frenkel sous fort champ électrique^[11].

Magnétorésistance

L'arséniure de cadmium présente de très fortes oscillations quantiques (en) sur la résistance même à la température relativement élevée de 100 K^[12]. Cela le rend utile pour tester des systèmes cryomagnétiques car la présence d'un signal aussi fort est un indicateur clair du fonctionnement.

Préparation

Schéma de la croissance en phase vapeur de cristaux de Cd₃As₂ utilisant un four en alumine^[1].

L'arséniure de cadmium peut être préparé sous forme de verre semi-conducteur amorphe. Selon Hiscocks et Elliot^[5], la première préparation de l'arséniure de cadmium fut faite à partir de cadmium métallique, avec une pureté de 6 N et fourni par Kock-Light Laboratories Limited, tandis que Hoboken a fourni l'arsenic β avec une pureté de 99,999 %. Des proportions stœchiométriques des éléments cadmium et arsenic furent chauffées ensemble. La séparation fut difficile et longue en raison du collage des lingots à la silice et aux cassures. La méthode de croissance Stockbarger encapsulée dans un liquide a été retenue. Les cristaux sont tirés depuis le bain volatil en encapsulation liquide. Le bain est couvert par une couche de liquide inerte, habituellement B₂O₃, et une pression de gaz inerte supérieure à la pression de vapeur d'équilibre est appliquée. Cela élimine l'évaporation du bain, et permet d'effectuer l'ensemencement et le tirage à travers la couche de B₂O₃.

Structure cristalline

La maille élémentaire de Cd₃As₂ est tétragonale^[3],[13]. Les ions arsenic sont cubiques à faces centrées et les ions cadmium sont en coordination tétraédrique. Les sites tétraédriques vacants ont fait l'objet de recherches menées par von Stackelberg et Paulus (1935), qui ont déterminé la structure primaire. Chaque ion arsenic est entouré par des ions cadmium situés en six des huit coins d'un cube déformé et les deux sites vacants sont sur les diagonales^[3].

La structure cristalline de l'arséniure de cadmium est très similaire à celle du phosphure de zinc (Zn₃P₂), de l'arséniure de zinc (Zn₃As₂) et du phosphure de cadmium (Cd₃P₂). Ces composés du système quaternaire Zn-Cd-P-As (en) forment une solution solide continue complète^[14].

Effet Nernst

L'arséniure de cadmium est utilisé dans les détecteurs infrarouge exploitant l'effet Nernst, et dans les capteurs de pression dynamiques en couche mince. Il peut aussi être utilisé pour fabriquer des magnétorésistances et des photodétecteurs^[15].

L'arséniure de cadmium peut être utilisé comme dopant pour HgCdTe.

Références

1. (en) R. Sankar, M. Neupane, S.-Y. Xu, C. J. Butler, I. Zeljkovic, I. Panneer Muthuselvam, F.-T. Huang, S.-T. Guo, Sunil K. Karna, M.-W. Chu, W. L. Lee, M.-T. Lin, R. Jayavel, V. Madhavan, M. Z. Hasan et F. C. Chou, « Large single crystal growth, transport property, and spectroscopic characterizations of three-dimensional Dirac semimetal Cd₃As₂ », Scientific Reports, vol. 5,‎ 2015, p. 12966 (PMID 26272041, PMCID 4642520, DOI 10.1038/srep12966, Bibcode 2015NatSR...512966S)
2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
3. (en) M. N. Ali, Q. Gibson, S. Jeon, B. B. Zhou, A. Yazdani et R. J. Cava, « The Crystal and Electronic Structures of Cd₃As₂, the Three-Dimensional Electronic Analogue of Graphene », Inorganic Chemistry, vol. 53 (8),‎ 2014, p. 4062–4067 (PMID 24679042, DOI 10.1021/ic403163d, arXiv 1312.7576)
4. (en) J. B. Westmore, K. H. Mann et A. W. Tickner, « Mass Spectrometric Study of the Nonstoichiometric Vaporization of Cadmium Arsenide¹ », The Journal of Physical Chemistry, vol. 68, n^o 3,‎ 1964, p. 606–612 (DOI 10.1021/j100785a028)
5. (en) S. E. R. Hiscocks et C. T. Elliott, « On the preparation, growth and properties of Cd₃As₂ », Journal of Materials Science, vol. 4, n^o 9,‎ 1969, p. 784–788 (DOI 10.1007/BF00551073, Bibcode 1969JMatS...4..784H, S2CID 136483003)
6. (en) A. Pietraszko et K. Łukaszewicz, « A refinement of the crystal structure of α"-Cd₃As₂ », Acta Crystallographica Section B, vol. 25, n^o 5,‎ 1969, p. 988–990 (DOI 10.1107/S0567740869003323)
7. (en) A. Pietraszko et K. Łukaszewicz, « Thermal expansion and phase transitions of Cd₃As₂ and Zn₃As₂ », Physica Status Solidi A, vol. 18, n^o 2,‎ 1973, p. 723–730 (DOI 10.1002/pssa.2210180234, Bibcode 1973PSSAR..18..723P)
8. (en) B. Dowgiałło-Plenkiewicz et P. Plenkiewicz, « Inverted band structure of Cd₃As₂ », Physica Status Solidi B, vol. 94, n^o 1,‎ 1979, K57–K60 (DOI 10.1002/pssb.2220940153, Bibcode 1979PSSBR..94...57D)
9. (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 et M. Z. Hasan, « Observation of a three-dimensional topological Dirac semimetal phase in high-mobility Cd₃As₂ », Nature Communications, vol. 5,‎ 2014, p. 3786 (PMID 24807399, DOI 10.1038/ncomms4786, Bibcode 2014NatCo...5.3786N, arXiv 1309.7892)
10. (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 et Y. L. Chen, « A stable three-dimensional topological Dirac semimetal Cd₃As₂ », Nature Materials, vol. 13, n^o 7,‎ 2014, p. 677–81 (PMID 24859642, DOI 10.1038/nmat3990, Bibcode 2014NatMa..13..677L)
11. (en) M. Din et R. D. Gould, « Van der Pauw resistivity measurements on evaporated thin films of cadmium arsenide, Cd₃As₂ », Applied Surface Science, vol. 252, n^o 15,‎ 2006, p. 5508–5511 (DOI 10.1016/j.apsusc.2005.12.151, Bibcode 2006ApSS..252.5508D)
12. (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 et A. I. Coldea, « Linear Magnetoresistance Caused by Mobility Fluctuations in -Doped », Physical Review Letters, vol. 114, n^o 11,‎ 19 mars 2015, p. 117201 (PMID 25839304, DOI 10.1103/PhysRevLett.114.117201, arXiv 1412.4105, S2CID 35607875)
13. (en) H. Kim, M. Goyal, S. Salmani-Rezaie, T. Schumann, T. N. Pardue, J-M. Zuo et S. Stemmer, « Point group symmetry of cadmium arsenide thin films determined by convergent beam electron diffraction », Physical Review Materials, vol. 3,‎ 2019, p. 084202 (DOI 10.1103/PhysRevMaterials.3.084202 , arXiv 1908.05734)
14. (en) V. M. Trukhan, A. D. Izotov et T. V. Shoukavaya, « Compounds and solid solutions of the Zn-Cd-P-As system in semiconductor electronics », Inorganic Materials, vol. 50, n^o 9,‎ 2014, p. 868–873 (DOI 10.1134/S0020168514090143, S2CID 94409384).
15. (en) M.B. Din et R.D. Gould, ICSE'98. 1998 IEEE International Conference on Semiconductor Electronics. Proceedings (Cat. No.98EX187), 1998, 168 p. (ISBN 0-7803-4971-7, DOI 10.1109/SMELEC.1998.781173, S2CID 110904915), « High field conduction mechanism of the evaporated cadmium arsenide thin films »

Liens externes

• National Pollutant Inventory – Cadmium and compounds