Research Progress on the Molecular Structure of Amorphous Chalcogen Elements

doi:10.7503/cjcu20240054

Abstract

Abstract:

Chalcogen elements（including sulfur， selenium， and tellurium） are essential substances in the nature and have wide-range applications in photoelectric materials， batteries， semiconductors， and other fields. Chalcogen elements have two structural forms： crystalline and amorphous. While the molecular structure of crystalline chalcogen elements has been extensively investigated， the molecular structures of amorphous chalcogen elements remain uncertain. To better explore the potential applications of amorphous chalcogen elements， it is necessary to study their structure and properties. This paper summarizes recent advancements in understanding the molecular structure of amorphous chalcogen elements and envisages potential research directions. These efforts aim to contribute to a more comprehensive understanding of the properties of amorphous chalcogen elements and to foster their application across diverse fields.

Key words: Chalcogen element, Amorphous structure, Sulfur, Selenium, Tellurium

CLC Number:

O613.5

TrendMD:

SHI Wuyi, BAO Yu, CUI Shuxun. Research Progress on the Molecular Structure of Amorphous Chalcogen Elements[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20240054.

Figures/Tables 16

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Common structural characterization technique	Available structural information	Limitation
XRD	Crystal structure information	Unable to resolve the amorphous structure； Difficulty in sample preparation
Neutron diffraction	Neutron scattering length； nuclear density imaging	Unable to resolve the amorphous structure； low resolution
Inelastic scattering	Dynamical length scale and other information； excited state information	Complex data analysis； model fitting requirements； difficulty in sample preparation； low resolution
EM	Morphology information； composition analysis； local structural analysis	Sample damage； limited sample thickness； difficulty in sample preparation
STM	Surface topological information； atomic arrangement structure； local charge density	High sample conductivity requirement； strict environmental requirements； sample damage
AFM	Surface topological information； atomic arrangement structure； mechanical property	Slow scanning speed； size effect of probe
Infrared spectrum	Chemical composition； molecular structure； impurity detection	Transparent sample； complex spectrum； low reso⁃lution； sensitive to sample surface and thickness
EXAFS	Chemical environment analysis； bond length； coordination number and configuration； oxidation states and coordination bond energies	Sensitive to sample surface； low resolution； complex data analysis
NMR	Chemical environment analysis； molecular configuration and conformation； molecular dynamics； molecular scale and shape	Low sensitivity； high sample preparation requirements； signal overlap； complex data analysis and simulation
XPS	Element composition； chemical state； electronic structure	Unable to obtain deep⁃structure information； low resolution
MS	Molecular mass； structural identification； isotopic distribution	Low sensitivity and resolution； high purity of samples
Raman spectrum	Molecular vibration information； isotope effect	Weak signal； fluorescent interference； unable to obtain deep⁃structure information

Common structural characterization technique	Available structural information	Limitation
XRD	Crystal structure information	Unable to resolve the amorphous structure； Difficulty in sample preparation
Neutron diffraction	Neutron scattering length； nuclear density imaging	Unable to resolve the amorphous structure； low resolution
Inelastic scattering	Dynamical length scale and other information； excited state information	Complex data analysis； model fitting requirements； difficulty in sample preparation； low resolution
EM	Morphology information； composition analysis； local structural analysis	Sample damage； limited sample thickness； difficulty in sample preparation
STM	Surface topological information； atomic arrangement structure； local charge density	High sample conductivity requirement； strict environmental requirements； sample damage
AFM	Surface topological information； atomic arrangement structure； mechanical property	Slow scanning speed； size effect of probe
Infrared spectrum	Chemical composition； molecular structure； impurity detection	Transparent sample； complex spectrum； low reso⁃lution； sensitive to sample surface and thickness
EXAFS	Chemical environment analysis； bond length； coordination number and configuration； oxidation states and coordination bond energies	Sensitive to sample surface； low resolution； complex data analysis
NMR	Chemical environment analysis； molecular configuration and conformation； molecular dynamics； molecular scale and shape	Low sensitivity； high sample preparation requirements； signal overlap； complex data analysis and simulation
XPS	Element composition； chemical state； electronic structure	Unable to obtain deep⁃structure information； low resolution
MS	Molecular mass； structural identification； isotopic distribution	Low sensitivity and resolution； high purity of samples
Raman spectrum	Molecular vibration information； isotope effect	Weak signal； fluorescent interference； unable to obtain deep⁃structure information

α⁃S₈		a⁃S
Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1
472.5^［60］	475^［41］	456.3^［60］	460^{［41，42］}
436.7^［60］	440^［41］	421.7^［60］	425^［41］， 427^［42］
246.6^［60］	248^［41］	274.2^［60］	275^［41］， 285^［42］
218.0^［60］	220^［41］	ca. 260， shoulder^［60］	260^［41］， 268^［42］
153.6^［60］	150—160^［41］

α⁃S₈		a⁃S
Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1	Raman shift/cm^-1
472.5^［60］	475^［41］	456.3^［60］	460^{［41，42］}
436.7^［60］	440^［41］	421.7^［60］	425^［41］， 427^［42］
246.6^［60］	248^［41］	274.2^［60］	275^［41］， 285^［42］
218.0^［60］	220^［41］	ca. 260， shoulder^［60］	260^［41］， 268^［42］
153.6^［60］	150—160^［41］

Species	r_intra/nm	N_intra	DW_intra/nm
t⁃Te	0.283±0.002	2.00	0.0054±0.0002
a⁃Te	0.277±0.002	1.97±0.20	0.0049±0.0002