Séléniure de plomb

Séléniure de plomb
__ Pb^2+     __ Se^2− Structure cristalline du séléniure de plomb
Identification
N^o CAS	12069-00-0
N^o ECHA	100.031.906
N^o CE	235-109-4
PubChem	61550
SMILES	[Se]=[Pb] PubChem, vue 3D
InChI	Std. InChI : vue 3D InChI=1S/Pb.Se Std. InChIKey : GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N
Apparence	granules gris à l'odeur caractéristique[1]
Propriétés chimiques
Formule	PbSe
Masse molaire[2]	286,2 ± 0,1 g/mol Pb 72,4 %, Se 27,59 %,
Propriétés physiques
T° fusion	1 065 °C[1]
Masse volumique	8,1 g/cm^3[1]
Précautions
SGH[1]
Danger H360Df, H373, H410, P264, P280, P311, P301+P310 et P304+P340 H360Df : Peut nuire au fœtus. Susceptible de nuire à la fertilité. H373 : Risque présumé d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (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 P264 : Se laver … soigneusement après manipulation. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P311 : Appeler un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. P301+P310 : En cas d'ingestion : appeler immédiatement un CENTRE ANTIPOISON ou un médecin. 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.
NFPA 704[1]
0 4 0
Transport[1]
-    3077    Numéro ONU : 3077 : MATIÈRE DANGEREUSE DU POINT DE VUE DE L’ENVIRONNEMENT, SOLIDE, N.S.A. Classe : 9 Étiquette : 9 : Matières et objets dangereux divers Emballage : Groupe d'emballage III : matières faiblement dangereuses.
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.
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Le séléniure de plomb est un semiconducteur de formule chimique PbSe ayant une bande interdite large de 0,27 eV à température ambiante^[3]. Il se présente sous la forme d'une poudre ou de granules gris anthracite insoluble dans l'eau mais soluble dans l'acide chlorhydrique et l'acide nitrique. Il forme des cristaux d'apparence semblable à la galène (sulfure de plomb PbS) et qui lui sont isomorphes, avec comme paramètre cristallin a = 612,4 pm. On le trouve dans le milieu naturel sous la forme d'un minéral appelé clausthalite. Chauffé dans un tube à essais ouvert, le séléniure de plomb se décompose en dégageant des vapeurs de sélénium^[4].

Le séléniure de plomb est utilisé dans la fabrication de détecteurs infrarouges et caméras thermiques fonctionnant avec des longueurs d'onde de 1,5 à 5,2 μm^[5]. Il ne nécessite pas d'être refroidi mais est plus performant à basse température. Il est également employé comme matériau pour diode laser, avec addition de petites quantités de strontium, d'europium ou de séléniure d'étain SnSe, dans la gamme de 3 à 25 μm^[6]. Des nanocristaux de PbSe inclus dans d'autres matériaux peuvent être utilisés comme boîtes quantiques^[7], par exemple dans les cellules solaires nanocristallines (en).

Synthèse

Le séléniure de plomb peut être obtenu par une réaction en plusieurs étapes de sélénium avec de l'acide nitrique HNO₃, de l'ammoniac NH₃ et de l'oxyde de plomb(II) PbO :

2 Se + 8 HNO₃ ⟶ 2 H₂SeO₃ + 8 NO₂ + 2 H₂O ;

2 PbO + 4 HNO₃ ⟶ 2 Pb(NO₃)₂ + 2 H₂O ;

2 H₂SeO₃ + 2 Pb(NO₃)₂ + 3 N₂H₄ ⟶ 2 PbSe + 3 N₂ + 4 HNO₃ + 6 H₂O.

Il est également possible de convertir des quantités équimolaires d'acétate de plomb(II) trihydraté Pb(CH₃COO)₂·3H₂O et d'acide sélénieux H₂SeO₃ en sélénite de plomb PbSeO₃ avec réduction ultérieure par une solution diluée d'acide acétique CH₃COOH et d'hydrazine N₂H₄^[8].

Les monocristaux de séléniure de plomb sont synthétisés à partir de quantités précisément stœchiométriques des deux éléments dans des tubes de quartz sous vide^[9] :

Pb + Se ⟶ PbSe.

Des nanotiges monocristallines et des nanotubes polycristallins ont été obtenus à l'aide de membranes biologiques. Le diamètre des nanotiges obtenues était de l'ordre de 45 nm pour une longueur d'environ 1,1 µm, tandis que les nanotubes avaient un diamètre d'environ 50 nm et une longueur pouvant atteindre 2 µm^[10].

Applications

Le séléniure de plomb est un matériau thermoélectrique, dont les propriétés pourraient être meilleures que celles du tellurure de plomb(II) PbTe^{[11],[12],[13],[14]}. C'est l'un des premiers matériaux identifié comme étant sensible aux rayonnements infrarouges et utilisé pour des applications militaires. Les premières recherches de cette nature ont été menées dans les années 1930 et les premiers équipements fonctionnels tirant partie de ce matériau ont été produits pendant et juste après la Seconde Guerre mondiale en Allemagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis. Il est depuis couramment employé dans les photodétecteurs infrarouges destinés à diverses applications, par exemple les spectromètres pour la détection de gaz et de flammes, ou encore les mèches infrarouges pour les munitions d'artillerie ou le repérage infrarouge passif (PIC).

Le séléniure de plomb est capable de détecter un rayonnement infrarouge dans la fenêtre infrarouge moyenne (MWIR), précisément de 1,5 à 5,2 µm, voire jusqu'à 6 µm dans certaines conditions. Il présente une détectivité élevée à température ambiante (fonctionnement non refroidi) ainsi qu'un temps de réponse très bref, ce qui en fait un bon matériau pour l'imagerie infrarouge rapide et bon marché^[15].

Le séléniure de plomb est un matériau photoconducteur. Son mécanisme de détection repose sur la modification de la conductivité électrique d'une couche mince polycristalline lorsqu'elle absorbe un photon. L'absorption de tels photons fait passer des électrons de la bande de valence du matériau semiconducteur à sa bande de conduction. Si le détail des mécanismes à l'origine des propriétés intéressantes de ce matériau n'est pas encore pleinement élucidé, on pense que sa nature polycristalline, outre le matériau lui-même, joue un rôle central pour limiter l'effet Auger et le courant d'obscurité dans ces composants, en relation avec la présence de nombreuses zones désertées le long des joints de grains et des barrières de potentiel dans les couches minces molycristallines.

Méthodes de production des détecteurs infrarouges au PbSe

On emploie traditionnellement deux méthodes principales.

Dépôt chimique en solution

Également appelée dépôt en bain chimique (CBD), c'est la méthode standard de production de ces composants^[16]. Développée aux États-Unis dans les années 1960, elle repose sur la précipitation du chalcogénure métallique sur un substrat dans une solution contrôlée de sélénourée Se=C(NH₂)₂, d'acétate de plomb(II) Pb(CH₃COO)₂, d'iodure de potassium KI et d'autres composés. Cette méthode est encore employée pour la production de détecteurs infrarouges au séléniure de plomb. Les limitations de cette méthode contraignent la taille maximum des détecteurs PbSe produits de cette manière à un réseau de 1 × 256 éléments.

Dépôt chimique en phase vapeur

Cette méthode a été développée en Espagne au début du siècle^[17] et repose sur la déposition de la couche active à partir de précurseurs sublimés, suivie par des traitements thermiques particuliers. L'avantage de cette méthode par rapport à la précédente est d'assurer la compatibilité avec les substrats et de pouvoir produire des composants à structure complexe tout en maîtrisant les coûts^[18].

Photodétecteurs à boîtes quantiques PbSe

La technique de dépôt employée dans le cas particulier des photodétecteurs à boîte quantique PbSe est généralement l'enduction centrifuge^[19].

Notes et références

1. « Fiche du composé Lead(II) selenide, 99.999+% (metals basis)  », sur Alfa Aesar (consulté le 20 décembre 2021).
2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
3. (en) Chinedu E. Ekuma, David J. Singh, J. Moreno et M. Jarrell, « Optical properties of PbTe and PbSe », Physical Review B, vol. 85, n^o 8,‎ février 2012, article n^o 085205 (DOI 10.1103/PhysRevB.85.085205, Bibcode 2012PhRvB..85h5205E, lire en ligne)
4. (de) Georg Brauer, en collaboration avec Marianne Baudler, Handbuch der Präparativen Anorganischen Chemie, 3^e éd. révisée, vol. 2, Ferdinand Enke, Stuttgart, 1978, p. 779. (ISBN 3-432-87813-3)
5. (en) W. D. Lawson, « A Method of Growing Single Crystals of Lead Telluride and Lead Selenide », Journal of Applied Physics, vol. 22, n^o 12,‎ décembre 1951, p. 1444-1447 (DOI 10.1063/1.1699890, Bibcode 1951JAP....22.1444L, lire en ligne)
6. (de) « 4-Kanal Bleiselenid-Detektor », sur lasercomponents.com, Laser Components Germany GmbH (consulté le 20 décembre 2021).
7. (en) Ivan A. Shuklovet Vladimir F. Razumov, « Lead chalcogenide quantum dots for photoelectric devices », Russian Chemical Reviews, vol. 89, n^o 3,‎ mars 2020, p. 379-391 (DOI 10.1070/RCR4917, Bibcode 2020RuCRv..89..379S, S2CID 212957425, lire en ligne)
8. (en) Walter C. Benzing, John B. Conn, James V. Magee et Edward J. Sheehan, « Synthesis of Selenides and Tellurides. I. The Reduction of Selenites by Hydrazine », Journal of the American Chemical Society, vol. 80, n^o 11,‎ juin 1958, p. 2657-2659 (DOI 10.1021/ja01544a015, lire en ligne)
9. (en) D. Seidmann, I. Cadott, K. Komarek et E. Miller, Trans. AIME 221, 1269 (1961) ; W. D. Lawson et S. Nielsen, Preparation of Single Crystals, Butterworths Scientific Publications, 1958, p. 141.
10. (en) Li Li, Qing-Sheng Wu et Ya-Ping Ding, « Living bio-membrane bi-template route for simultaneous synthesis of lead selenide nanorods and nanotubes », Nanotechnology, vol. 15, n^o 12,‎ décembre 2004, p. 1877-1881 (DOI 10.1088/0957-4484/15/12/033, Bibcode 2004Nanot..15.1877L, lire en ligne)
11. (en) David Parker et David J. Singh, « High-temperature thermoelectric performance of heavily doped PbSe », Physical Review B, vol. 82, n^o 3,‎ juillet 2010, article n^o 035204 (DOI 10.1103/PhysRevB.82.035204, Bibcode 2010PhRvB..82c5204P, lire en ligne)
12. (en) Heng Wang, Yanzhong Pei, Aaron D. LaLonde et G. Jeffrey Snyder, « Heavily Doped p-Type PbSe with High Thermoelectric Performance: An Alternative for PbTe », Advanced Materials, vol. 23, n^o 11,‎ 18 mars 2011, p. 1366-1370 (PMID 21400597, DOI 10.1002/adma.201004200, lire en ligne)
13. (en) John Androulakis, Iliya Todorov, Jiaqing He, Duck-Young Chung, Vinayak Dravid et Mercouri Kanatzidis, « Thermoelectrics from Abundant Chemical Elements: High-Performance Nanostructured PbSe–PbS », Journal of the American Chemical Society, vol. 133, n^o 28,‎ 8 juin 2011, p. 10920-10927 (PMID 21650209, DOI 10.1021/ja203022c, lire en ligne)
14. (en) Qian Zhang, Feng Cao, Kevin Lukas, Weishu Liu, Keivan Esfarjani, Cyril Opeil, David Broido, David Parker, David J. Singh, Gang Chen et Zhifeng Ren, « Study of the Thermoelectric Properties of Lead Selenide Doped with Boron, Gallium, Indium, or Thallium », Journal of the American Chemical Society, vol. 134, n^o 42,‎ octobre 2012, p. 17731-17738 (PMID 23025440, DOI 10.1021/ja307910u, lire en ligne)
15. (en) G. Vergara, M. Montojo, M. Torquemada, M. Rodrigo, F. Sánchez, L. Gómez, R. Almazán, M. Verdú, P. Rodríguez, V. Villamayor, M. Álvarez, J. Diezhandino, J. Plaza et I. Catalán, « Polycrystalline lead selenide: the resurgence of an old infrared detector », Opto-Electronics Review, vol. 15, n^o 2,‎ juin 2007, p. 110-117 (DOI 10.2478/s11772-007-0007-7, Bibcode 2007OERv...15..110V, lire en ligne)
16. (en) Thomas H Johnson pour Raytheon Co, Brevet U.S. 3178312A : Solutions and methods for depositing lead selenide, déposé le 2 janvier 1959, publié le 13 mars 1965, sur Google Patents.
17. (en) Germán Vergara Ogando, Rosa Almazán Carneros, Luis Jorge Gomez Zazo, Marina Verdu Herce, Purificación Rodriguez Fernandez et María Teresa Montojo Supervielle pour Ministerio De Defensa, Brevet européen 1852920B1 : Method of treating polycrystalline lead selenide infrared detectors, déposé le 29 décembre 2004, publié le 7 novembre 2007, sur Google Patents.
18. (en) G. Vergara, R. Linares-Herrero, R. Gutiérrez-Álvarez, M. T. Montojo, C. Fernández-Montojo, A. Baldasano-Ramírez et G. Fernández-Berzosa, « VPD PbSe technology fills the existing gap in uncooled low-cost and fast IR imagers », Proceedings of the SPIE, vol. 8012,‎ juin 2011, article n^o 80121Q (DOI 10.1117/12.884018, Bibcode 2011SPIE.8012E..1QV, lire en ligne)
19. (en) Ethan Klem et John Lewis pour Research Triangle Institute et Research Triangle Institute International, Brevet U.S. 8742398B2 : Quantum dot-fullerene junction based photodetectors, déposé le 29 septembre 2009, publié le 3 juin 2014, sur Google Patents.

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