Experimental and Theoretical Study of B2X3 Sesquichalcogenides under Extreme Conditions

Abstract

[ES] Los sesquicalcogenuros con estequiometria B2X3, con A = Al, Ga e In y X = S, Se y Te, han recibido gran atención a lo largo de los últimos años, en particular en como modificarlos para obtener nuevas estructuras con propiedades inéditas, permitiendo su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Si bien vías como el uso de altas/bajas temperaturas o modificar la composición química han sido bastante explotadas para modificar y obtener nuevas estructuras, las altas presiones están ganando auge como una tercera vía para obtener nuevos materiales. El uso de altas presiones implica emplear celdas de yunques de diamantes, preparadas para alcanzar altas presiones, además de altas temperaturas. A estos dispositivos se acoplan multitud de técnicas experimentales, como espectroscópicas (Raman e IR), difracción y absorción de rayos X, medidas de absorción óptica, de resistividad, etc., con el fin de estudiar como la materia evoluciona en dichas condiciones extremas. Adicionalmente, los cálculos teóricos son empleados como apoyo a los resultados experimentales. Dentro de los trabajos existentes a altas presiones de esta familia de compuestos, estos han llegado a conclusiones incluso contradictorias, arrojando más dudas acerca su comportamiento bajo presión. De todos los integrantes de estos sesquicalcogenuros, Ga2S3, In2S3 y In2Se3, han sido los más estudiados bajo presión. En esta tesis se han evaluado los efectos de la alta presión en estos tres sesquicalcogenuros, haciendo uso de espectroscopia Raman y difracción de rayos X, siempre con el soporte de los cálculos teóricos, con el fin de aclarar los resultados publicados anteriormente. Fruto de estos trabajos, la presente tesis recoge los cuatro artículos publicados en revistas indexadas. Dichos artículos han dado luz al comportamiento bajo presión de estos compuestos, como caracterización de propiedades vibracionales y estructurales bajo presión, mecanismos de transición, transiciones de fase inducidas bajo presión, así como caracterizar dichas fases de alta presión. Con todo ello, estos trabajos pretenden no solo conocer fehacientemente el comportamiento bajo presión de estos tres sesquicalcogenuros, sino impulsar futuros trabajos en el resto de los compuestos de esta familia y en otros similares, como en compuestos ternario AB2X4 con estructura tipo espinela y vacantes ordenadas.

[CA] Els sesquicalcogenurs amb estequiometria B2X3, amb B = Al, Ga, i In i X = S, Se, i Te, han rebut una gran atenció al llarg dels darrers anys, en particular sobre com modificar-los per tal d'obtindre noves estructures amb propietats inédites, permetent el seu ús en una àmplia varietat d'aplicacions. Si bé l'ùs d'altes/baixes temperatures o modificar la composició química han segut prou explotades per a modificar i obtindre noves estructures, les altes pressions estan guanyant importància com una tercera via per a obtindrer nous materials. L'ús d'altes presions implica emprar cel·les d'encluses de diamants, preparades per a assolir altes presions, a més a més d'altes temperatures. A aquestos dispositius s'acoblen multitud de tècniques experimentals, com ara espectroscòpiques (Raman i IR), difracció i absorció de raigs X, mesures òptiques, de resistivitat, etc, amb la finalitat d'estudiar com la matèria evoluciona en aquestes condicions extremes. Adicionalment, els càlculs teòrics son emprats com a recolçament dels resultats experimentals. Dins dels treballs existents a altes presions a aquesta familia de compostos s'ha arribat a determinades conclusions algunes de les quals son contradictòries, el que ha sembrat moltes dubtes al voltant del seu comportament sota pressió. De tots els integrants d'aquestos sesquicalcogenurs, Ga2S3, In2S3 i In2Se3 han sigut els més estudiats sota pressió. En aquesta tesi doctoral s'han evaluat els efectes de les altes pressions a aquestos tres sesquicalcogenurs, fent ús de l'espectroscopia Raman i la difracció de raigs X, sempre amb el suport dels càlculs teòrics, amb el fi d'aclarir els resultats previament publicats. Fruit d'aquestos treballs, la present tesi doctoral recull els quatre articles publicats a revistes indexades. Aquestos articles han vessat llum sobre el comportament sota pressió d'aquestos compostos, com ara la caracterització de les seues propietats vibracionals i estructurals sota pressió, les transicions de fase induides sota pressió i els mecanismes d'eixes transicions, així com la caracterització de les seues fases d'alta pressió. Amb tot, aquestos treballs pretenen no només conèixer el comportament sota pressió d'aquestos tres sesquicalcogenurs, sino també impulsar futurs treballs a la resta de compostos d'aquesta familia i altres compostos rel·lacionats, com ara els compostos ternaris AB2X4 de tipus espinela i de vacants ordenades.

[EN] B2X3 sesquichalcogenides (A = Al, Ga and In, X = S, Se y Te) have received special attention along last years, with great emphasis in tailor them to attain new structures to novel properties, driving them in a huge number of applications. Although high/low temperature or varying chemical composition have been extensively used to modify and obtain new structures, high pressure is gaining relevance as an alternative way to synthetised new materials. To reach such pressures and additionally high/low temperatures, diamond anvil cells are used. Many experimental techniques can be coupled to these tools to study matter under extreme conditions (Raman and IR spectroscopy, X-ray diffraction and absorption, optical absorption, and resistivity measurements, among others). Additionally, computational simulations are used to give further support to the experimental results. Despite the several existing works devoted to the behaviour under pressure of this family, controversial results have been reported. The most studied of these sesquichalcogenides have been Ga2S3, In2S3 and In2Se3. The aim of this thesis is to revisit the pressure effects by means of Raman spectroscopy and X-ray diffraction, with the help of computational simulations, for the purpose of clarify the results published earlier. The current thesis contains the four articles published in indexed journals, resulting from the study of these three sesquichalcogenides. Such articles shed light to the pressure behavior of these compounds, their vibrational and structural properties under pressure, pressure-induced phase transitions and the mechanisms behind them and characterize such high-pressure phases. With these works, we pursue not only a depth understanding of the pressure behavior of these sesquichalcogenides, but boost future high-pressure works on the rest of the family and other similar compounds, as AB2X4 with spinel structure and ordered vacancies.