Твердые растворы в системах дисульфидов Re(IV)S₂–Ti(IV)S₂, Re(IV)S₂–Mo(IV)S₂ и Re(IV)S₂–W(IV)S₂

Цели. Халькогениды переходных элементов с низкой степенью окисления, а также их замещенные производные до сих пор являются малоизученным классом химических соединений. В качестве нового двумерного полупроводника дисульфид рения имеет множество отличительных особенностей и обладает большим потенциалом для применения благодаря своей необычной структуре и уникальным анизотропным свойствам, а наличие у данного соединения слабой межслойной связи и уникальной искаженной октаэдрической (1Т) структуры позволяет предположить возможность создания новых фаз на его основе. Цель данной работы — получение и исследование фаз в системах Re(IV)S₂–Ti(IV)S₂, Re(IV)S₂–Mo(IV)S₂ и Re(IV)S₂–W(IV)S₂.
Методы. Образцы были получены методом высокотемпературного твердофазного ампульного синтеза в вакууме. Исследование проводили методами рентгенофазового анализа и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Результаты. Установлены области существования твердых растворов, интеркалатов и двухфазных областей в полученных системах. Для новых фаз получены дифрактограммы и рассчитаны параметры кристаллической решетки. По данным энергий связи остовных электронов с ядром показано, в каких валентных состояниях находятся элементы после синтеза, подтверждено, что все полученные в результате синтеза фазы содержат переходные элементы в степени окисления (IV).
Выводы. В богатых рением областях образуются твердые растворы по типу внедрения, в то время как в областях, близких к дисульфидам титана и молибдена, реализуются интеркалированные фазы. В системе ReS₂–WS₂ существует область твердых растворов, включающая 30, 50 и 70 мол. % дисульфида рения, структура которых является полиморфной модификацией структуры исходных компонентов. Подтверждено присутствие рения, молибдена и вольфрама в этих фазах в степени окисления (+IV).
Полученные данные о фазообразовании в системах дихалькогенидов могут быть практически использованы при создании материалов, обладающих уникальными электронными, магнитными и оптическими свойствами с обширной областью применения.

1. Zhang E., Jin Y., Yuan X., Wang W., Zhang C., Tang L., Liu S., Zhou P., Hu W., Xiu F. ReS2–Based Field–Effect Transistors and Photodetectors. Adv. Funct. Mater. 2015;25(26): 4076–4082. https://doi.org/10.1002/adfm.201500969

2. Al-Dulaimi N., Lewis D.J., Zhong X.L., Malik M.A., O’Brien P. Chemical Vapour Deposition of Rhenium Disulfide and Rhenium-Doped Molybdenum Disulfide Thin Films Using Single-Source Precursors. J. Mater. Chem. 2016;4(12): 2312–2318. https://doi.org/10.1039/C6TC00489J

3. Lemme M.C., Akinwande D., Huyghebaert C. 2D materials for future heterogeneous electronics. Nat. Commun. 2022;13(1):1392. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29001-4

4. Ионов А.М., Кобрин М.Р., Можчиль Р.Н., Сигов А.С., Сыров Ю.В., Фомичев В.В. Cинтез и исследование дисульфида рения(IV). Тонкие химические технологии. 2017;12(6):83–90. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-6-83-90

5. Dalmatova S.A., Fedorenko A.D., Mazalov L.N., Asanov I.P., Ledneva A.Y., Tarasenko M.S., Enyashin A.N., Zaikovskii V.I., Fedorov V.E. XPS experimental and DFT investigations on solid solutions of Mo1-xRexS2 (0 < x < 0.20). Nanoscale. 2018;10(21):10232–10240. https://doi.org/10.1039/c8nr01661e

6. Liu C.X. Unconventional Superconductivity in Bilayer Transition Metal Dichalcogenides. Phys. Rev. Lett. 2017;118(8):087001. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.087001

7. Huang J., Li X., Jin X., Wang L., Deng Y. High-efficiency and stable photocatalytic hydrogen evolution of rhenium sulfide co-catalyst on Zn0.3Cd0.7S. Mater. Adv. 2020;1(3):363–370. https://doi.org/10.1039/D0MA00187B

8. Chen R., Ma M., Luo Y., Qian L., Wan S., Xu S., She X. Fabrication of Ce-ReS 2 by Molten Salt for Electrochemical Hydrogen Evolution. Trans. Tianjin University. 2022;28(60):440–445. http://doi.org/10.1007/s12209-022-00314-1

9. Пономаренко В.П., Попов В.С., Попов С.В., Чепурнов Е.Л. Фото- и наноэлектроника на основе двумерных 2D-материалов. (обзор). (Часть I. 2D-материалы: свойства и синтез). Успехи прикладной физики. 2019;7(1):10–48.

10. Azizar G.A.B., Hong J.W. Optimizing intrinsic cocatalyst activity and light absorption efficiency for efficient hydrogen evolution of 1D/2D ReS 2-CdS photocatalysts via control of ReS 2 nanosheet layer growth. J. Mater. Sci. Technol. 2023;168:103–113. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.05.035

11. Su N., Bai Y., Shi Z., Li J. ReS2 Cocatalyst Improves the Hydrogen Production Performance of the CdS/ZnS Photocatalyst. ACS Omega. 2023;8(6):6059–6066. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c08110

12. Wang N., Li Y., Wang L., Yu X. Photocatalytic Applications of ReS 2-Based Heterostructures. Molecules. 2023;28(6):2627. http://doi.org/10.3390/molecules28062627

13. Rahman M., Davey K., Qiao S. Advent of 2D Rhenium Disulfide (ReS2): Fundamentals to Applications. Adv. Functional Mater. 2017;27(10). https://doi.org/10.1002/adfm.201606129

14. Satheesh P.P., Jang H-S., Pandit B., Chandramohan S., Heo K. 2D Rhenium Dichalcogenides: From Fundamental Properties to Recent Advances in Photodetector Technology. Adv. Functional Mater. 2023;33(16). https://doi.org/10.1002/adfm.202212167

15. Hart L., Dale S., Hoye S., Webb J.L., Wolverson D. Rhenium dichalcogenides: layered semiconductors with two vertical orientations. Nano Lett. 2016;16(2):1381–1386. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b04838

16. Wolverson D., Hart L.S. Lattice dynamics of the rhenium and technetium dichalcogenides. Nanoscale Res. Lett. 2016;11(1):250. https://doi.org/10.1186/s11671-016-1459-9

17. Wolverson D., Crampin S., Kazemi A.S., Ilie A., Bending S.J. Raman spectra of monolayer, few-layer, and bulk ReSe2: an anisotropic layered semiconductor. ACS Nano. 2014;8(11):11154–11164. https://doi.org/10.1021/nn5053926

18. Shannon R.D., Prewitt C.T. Revised values of effective ionic radii. Acta Cryst. 1970;B26(7):1046–1048. https://doi.org/10.1107/S0567740870003576

19. Голубь А.С., Зубавичус Я.В., Словохотов Ю.Л., Новиков Ю.Н. Монослоевые дисперсии дихалькогенидов переходных металлов в синтезе интеркаляционных соединений. Успехи химии. 2003;72(2):138–158. https://doi.org/10.1070/RC2003v072n02ABEH000789