碲元素在新型海量存储器上显身手

来源:科普时报 作者:宋丹 2022-05-01 11:57

碲,元素周期表第52号元素。

碲是一种具有非金属性的类金属,在地壳中的含量大约是十亿分之一,比金、铂或其他所谓“稀少”元素更稀少,是1782年由德国矿物学家米勒·冯·赖兴施泰因在研究德国金矿石时发现的。

早年,人们普遍认为世界大部分可回收碲伴生于铜矿中,后来发现更多碲化合物型金银矿床,而且还有大规模富集、矿化形成具有经济价值的独立矿产或工业矿体,如四川石棉的碲铋金矿床等。中国已探明伴生碲储量位居世界第三,多集中于广东、江西、甘肃等省,工业上可从铜冶炼的电解铜的阳极泥中提取碲,或者在炼锌的烟尘中回收碲。

碲有两种同素异形体,一种有金属光泽,另一种是灰黑色的无定形碲,它们都有十分好的导电导热性。在氧、硫、硒等非金属中,碲的金属性是最强的,但也与硫、硒类似,有一定的毒性。含碲化合物的合成、结构以及性能研究是近年来备受关注的重点,通常用X射线衍射技术来表征含碲化合物的结构。

碲及碲的化合物在工业上用途较广,最主要应用在冶金业,能添加在合金中改善钢和铜的性能,使这些合金在铸造时更容易加工成型,如添加在铜、铅合金中能使合金更抗腐蚀,机械加工性能更好。在天然橡胶工业中,碲作为无机硫化剂能与硫磺配合,防止橡胶硫化返原,改善橡胶的耐热性,降低橡胶在摩擦时产生的热量,防止其老化。在塑料工业中,碲是制造丙烯单体的催化剂,在玻璃、搪瓷、瓷器生产中做着色剂。在电子工业中,碲化镉、碲化铅和碲化铋等都是半导体材料,碲化铋在冷冻设备中能用作热电偶。在过去的几十年里,无机含碲化合物数量增长了大约40%,同时有机和金属有机含碲化合物数量增长了近70%,这使碲的价格和需求一样一直处于增长状态。

2021年12月16日,中科院上海微系统所宋志棠团队公布了他们研制的一款由碲元素制成的全新开关器件。这种开关具有高驱动电流、低漏导和长寿命等性能:升温,碲会变为液体,使开关闭合;降温,碲回归为固态,开关就断开。这样的“温控”开关可以小到纳米级,开闭的时间也能缩短到15纳秒,而且可以反复使用超1亿次。这些特性可以被用来制作更先进的相变存储器。该团队研制出的60—200纳米大小的碲开关器件,能使存储器的速度更快、功耗更低、微缩性能更好,被视为最有潜力的新型海量存储器。

还有一些科学家对含碲固态化合物的键合非常感兴趣,因为他们在含有碲—碲键的固态单质和化合物中发现了多种碲—碲键的键长,除了常规的单键外还有各种比单键更长的碲—碲键。在稳定的无限螺旋结构单质碲中,人们发现有的碲—碲间距大于单键键长,有的则仅略小于范德华键长,邻近原子间作用。如此丰富的成键形式,让科学家们兴奋不已,更希望能一探究竟。

(作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员)