Arseniuro di indio

L’arseniuro di indio è un semiconduttore di tipo n a banda stretta costituito da arsenico e indio con formula AsIn noto per la sua elevata mobilità elettronica e comunemente utilizzato per i fotodiodi nella gamma infrarossa.

L’arseniuro di indio è un semiconduttore III-V ovvero costituito da elementi appartenenti ai gruppi III e V della Tavola Periodica. La scoperta e lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori III-V furono eseguiti presso l’Istituto Ioffe, nel 1950 e le indagini sulle loro proprietà fondamentali furono iniziate sotto la guida di due eccezionali scienziati Nina Aleksandrovna Goryunova e Dmitry Nikolayevich Nasledov.

I semiconduttori III-V, con una transizione energetica a gap diretto, combinano gli elementi del gruppo III boro, alluminio, gallio e indio con quelli del gruppo V azoto, fosforo, arsenico e antimonio. I semiconduttori III-V, come fosfuro di indio e arseniuro di indio, sono considerati candidati più rispettosi dell’ambiente per sostituire i noti emettitori NC contenenti metalli pesanti come seleniuro di cadmio e tellururo di cadmio.

Numerosi semiconduttori III-V come arseniuro di gallio, fosfuro di indio, nitruro di gallio sono materiali largamente usati e costituiscono i componenti chiave di dispositivi optoelettronici come diodi ad emissione luminosa, fotorivelatori, laser e celle solari ad alta efficienza.

Proprietà dell’arseniuro di indio

L’arseniuro di indio è l’unico semiconduttore III-V che mostra un accumulo superficiale naturale dovuto all’elevata densità di stati superficiali donatori che fissano il livello Fermi sopra il suo limite di banda di conduzione.

Per la sua resistenza all’ossidazione e l’elevata mobilità elettronica, l’arseniuro di indio è un potenziale candidato nella produzione di celle solari e dispositivi elettrici. Ha una struttura cubica detto struttura a blenda di zinco in cui sono presenti quattro atomi di arsenico e quattro atomi di indio

Presenta un band gap di 0.354 eV a 300 K, una densità di 5.67 g/cm³, una temperatura di fusione di 942 °C e ha una mobilità elettronica, grandezza che caratterizza la rapidità con cui un elettrone può muoversi quando sotto l’azione di un campo elettrico pari a 40000 cm²/V·s.

L’arseniuro di indio ha una conducibilità termica, grandezza fisica che misura l’attitudine di una sostanza a trasmettere il calore attraverso la conduzione termica, pari a 0.27 W/cm·K, un indice di rifrazione di 4 e una costante reticolare di 6.05838 Å          .

Sintesi

Si sono utilizzati molti metodi per la produzione di film sottili di arseniuro di indio come la deposizione in bagno chimico (CBD) utilizzando la nucleazione eterogenea che consiste nella deposizione o adsorbimento di ioni acquosi su un substrato solido e l’elettrodeposizione (ED).

Un altro metodo sfrutta la pirolisi a spruzzo chimico (CSP) processo in cui una sottile pellicola è depositata spruzzando una soluzione su una superficie riscaldata, dove i costituenti reagiscono per formare un composto chimico. La pirolisi a spruzzo è essenzialmente una reazione chimica, che comporta la spruzzo di una soluzione in un substrato fissato ad alta temperatura e infine la soluzione reagisce per formare il film sottile richiesto

Per ottenere l’arseniuro di indio si è utilizzata anche la tecnica di evaporazione termica metodo ben noto per rivestire uno strato sottile in cui il materiale sorgente evapora nel vuoto a causa del riscaldamento ad alta temperatura, che facilita lo spostamento delle particelle di vapore e il raggiungimento diretto di un substrato, spesso costituito da vetro, in cui questi vapori cambiano nuovamente in uno stato solido.

Punti quantici di arseniuro di indio sono stati ottenuti tramite una procedura di iniezione a caldo singola utilizzando il cloruro di indio (I) InCl come precursore chiave. Il cloruro di indio agisce come sia come agente riducente sia come fonte di indio sorgente e reagisce con un precursore tris(ammino)arsenico per produrre arsenuiro di indio colloidale in modo quantitativo e su scala di grammi.

Punti quantici

I punti quantici o quantum dots colloidali (CQD) o nanocristalli semiconduttori sono particelle semiconduttrici di pochi nanometri di dimensione con proprietà ottiche ed elettroniche che differiscono da quelle delle particelle più grandi tramite effetti meccanici quantistici.

Sono materiali interessanti per i sistemi fotovoltaici (PV) di nuova generazione grazie alla loro processabilità in soluzione e ai band gap ottici dipendenti dalle dimensioni che consentono un assorbimento efficiente su un’ampia gamma dello spettro solare e potrebbero essere in grado di aumentare l’efficienza e ridurre il costo delle attuali celle fotovoltaiche al silicio tipiche

I punti quantici colloidali che emettono nell’infrarosso (IR) sono promettenti elementi costitutivi per numerose applicazioni fotoniche, optoelettroniche e biomediche grazie alla loro processabilità in soluzione a basso costo e all’emissione sintonizzabile. Tra questi, i CQD a base di piombo e mercurio sono attualmente i materiali più sviluppati.

Tuttavia, a causa di problemi di tossicità, la comunità scientifica si sta concentrando su alternative più sicure. A questo proposito, i CQD di arseniuro di indio sono uno dei migliori candidati in quanto possono assorbire ed emettere luce nell’intera gamma spettrale del vicino infrarosso per applicazioni di imaging biologico, illuminazione e rilevamento.

Usi

L’arseniuro di indio è utilizzato nell’elettronica dei semiconduttori e nella costruzione di rilevatori a infrarossi chiamati anche sensori a infrarossi o rilevatori piroelettrici che sono componenti optoelettronici e rappresentano l’elemento centrale degli analizzatori di gas, dei sensori di fiamma, dei dispositivi di analisi spettrale e della misurazione della temperatura senza contatto

È ampiamente utilizzato come sorgente di radiazioni terahertz e in rilevatori di applicazioni ad alta potenza e laser a diodi, dispositivi optoelettronici in grado di emettere un fascio laser emesso dalla regione attiva del semiconduttore con cui viene realizzato il dispositivo stesso.

A causa della elevata mobilità degli elettroni l’arseniuro di indio può essere utilizzato in applicazioni elettroniche ad alta velocità come i transistor a effetto di campo che utilizzano un campo elettrico per controllare il flusso di corrente attraverso un canale semiconduttore e sono ampiamente utilizzati nei circuiti elettronici grazie alla loro elevata impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.

L’arseniuro di indio è impiegato anche nella fabbricazione di refrigeratori termoelettrici ovvero pompe di calore in miniatura a bassa potenza, sufficientemente piccole da essere facilmente integrate in sistemi ottici compatti.

I refrigeratori termoelettrici possono raffreddare in modo efficiente piccoli chip del rilevatore a temperature inferiori a -70 °C e possono fornire un controllo della temperatura di 0.1 °C, garantendo prestazioni stabili del rilevatore.

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