Fosfuro di boro
Il fosfuro di boro BP è un semiconduttore caratterizzato da elevata durezza, refrattario con una temperatura di fusione a pressione ambiente pari a 1100 °C e poco comprimibile con eccezionale stabilità chimica ad alta temperatura che lo rende un materiale promettente per un’ampia gamma di applicazioni.
Il fosfuro di boro 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, fotodetector, laser e celle solari ad alta efficienza.
Il fosfuro di boro è un membro relativamente poco studiato di questa famiglia nonostante la sua conduttività termica ultra-elevata, inerzia chimica e durezza e prospettive di drogaggio bipolare che è fatto su tre strati di materiale semiconduttore drogato, in cui lo strato centrale ha drogaggio opposto agli altri due, in modo da formare una doppia giunzione p-n.
Di conseguenza, il fosfuro di boro è stato proposto per diverse applicazioni come rivestimento resistente alla corrosione e al calore, fotocatalizzatore ed elettrocatalizzatore, nonché per la gestione termica e applicazioni ottiche.
Sono in fase di studio sia i semiconduttori di fosfuro di boro di tipo n con un eccesso di fosforo che di tipo p con un eccesso di boro e da allora sono stati realizzati numerosi dispositivi optoelettronici e termoelettrici basati su fosfuro di boro.
Proprietà del fosfuro di boro
Il fosfuro di boro ha una struttura cubica detto struttura a blenda di zinco isostrutturale con altri semiconduttori III–V come l’arseniuro di gallio in cui gli atomi di boro e fosforo sono tetraedricamente coordinati tra loro. In questo composto, le proprietà tipiche dei boruri, come l’elevata inerzia chimica e una durezza che è all’incirca la stessa di quella del carburo di silicio, sono combinate con le proprietà semiconduttrici riscontrate in altri composti binari III-V.
Un ampio band gap di 2.1 eV nella regione ottica dello spettro elettromagnetico e un potenziale di banda piatta ovvero il potenziale applicato al gate quando la banda di energia del semiconduttore è piatta, cioè non c’è nessuna curvatura nella banda di energia di -0.43 V rispetto all’elettrodo standard a idrogeno in acqua rendono il fosfuro di boro un candidato per la generazione di ossigeno tramite scissione dell’acqua.
Il fosfuro di boro è anche un conduttore di calore molto efficiente con una conduttività termica a temperatura ambiente di 400 W/(m·K) maggiore rispetto a quella dei materiali convenzionali ad alta conduttività termica come Ag, Au e Cu . Ha una densità di 2.90 g/cm3, un indice di rifrazione di 3.0 (0.63 μm), una capacità termica di 0.8 J/g·K e una conducibilità termica di 4.6 W/(cm·K) (300 K). Mostra elevata stabilità chimica ed è resistente alla corrosione chimica.
Il fosfuro di boro non reagisce con soluzioni di acidi o base concentrate bollenti ma può reagire con basi allo stato fuso. È resistente all’ossidazione fino a 1000°C quando esposto all’aria e reagisce con il cloro a circa 500°C e mostra un’elevata mobilità di elettroni e lacune a temperature elevate.
Sintesi
Nonostante i suoi potenziali usi tecnologici versatili, il fosfuro di boro non è un materiale comune a causa delle difficoltà sintetiche. Infatti mentre il fosforo è un elemento molto reattivo in grado di reagire con metalli nobili a temperature elevate, il boro è altamente inerte e richiede temperature di almeno 1200 K per reagire quando è amorfo e temperature superiori a 2300 K per fondere il boro cristallino.
A temperature così elevate, l’elevata pressione di vapore del fosforo porta all’esaurimento del fosforo dalla miscela di reazione e alla formazione di campioni multifase non omogenei.
La grande differenza nelle reattività di questi elementi rende impegnativa la sintesi del fosfuro di boro. Già nel 1891 si segnalarono le prime sintesi del fosforo di boro da alogenuri di boro come BBr3 o BI3, fosfina PH3 o fosforo bianco P4 .
Da allora, si sono utilizzati molti altri precursori chimici, come boro elementare, trietilborano B(C2H5)3 e diborano B2H6 per il boro e fosforo bianco P4, alogenuri di fosforo come PCl3 o PCl5, fosfuro di alluminio AlP e fosfuro di zinco Zn3P2 per il fosforo, come materiali di origine per la sintesi del fosfuro di boro.
Molti dei metodi utilizzati per produrre il fosfuro di boro richiedono fasi complesse che utilizzano materiali tossici o alti livelli di apporto energetico. In genere, una miscela precursore viene riscaldata in un tubo sigillato a una temperatura molto elevata o posta direttamente in un reattore surriscaldato a oltre 1000 °C.
Questi approcci sono stati adottati come processo di deposizione chimica da vapore (CVD) per far crescere strati epitassiali di fosfuro di boro su vari substrati di supporto, ma l’uso di reagenti altamente tossici e infiammabili ad alte temperature presenta una sfida significativa da implementare in modo sicuro ed economico in un’operazione su larga scala.
Metodo solvotermico
Recentemente si è introdotto un metodo solvotermico in si utilizzano solventi ad una temperatura decisamente superiore al loro punto di ebollizione, tenuti in serbatoi sigillati ad alta pressione per sintetizzare nanocristalli di fosfuro di boro da polvere di boro e tricloruro di fosforo in un’autoclave sigillata in cui il benzene funge da solvente.
La sintesi è eseguita a una temperatura relativamente bassa di circa 350 °C, in cui il precursore del fosforo nascente è prodotto mediante riduzione del tricloruro con litio metallico o sodio secondo la reazione:
4 PCl3 + 12 Na → P4 + 12 NaCl
Sintesi auto-propagante
Più recentemente si è sviluppato un processo ad alto rendimento per la sintesi ad alta temperatura auto-propagante di fosfuro di boro in cui il pellet di fosfato di boro e il magnesio metallico sono combinati in una miscela omogenea senza la necessità di diluenti per il controllo della temperatura, compattando la miscela a una pressione compresa tra 0 e 1360 atm utilizzando un apporto energetico minimo per creare una reazione di sintesi ad alta temperatura auto-propagante che produce il fosfuro di boro secondo la reazione:
BPO4 + 4 Mg → BP + 4 MgO
Nella reazione è utilizzato il fosfato di boro amorfo e il magnesio metallico ad elevato grado di purezza e miscelati con un lieve eccesso di magnesio in un rapporto molare di 1:4.1. La reazione in cui il fosfato di boro funge come ossidante per l’ossidazione del magnesio in ossido di magnesio mentre è ridotto a fosfuro di boro è altamente esotermica.
Tuttavia, il prodotto di reazione è risultato contenere una quantità significativa fino al 30% dell’impurità subfosfuro di boro B12P2. Si è suggerito che l’impurità derivasse dalla decomposizione immediata dei microcristalli di fosfuro di boro sintetizzati a causa di una temperatura di reazione inaspettatamente elevata di oltre 1227 °C.
L’aggiunta di cloruro di sodio nella miscela come diluente chimicamente inerte si è dimostrata necessaria per ridurre la temperatura di reazione e diminuire il livello di impurità. Tuttavia, l’incorporazione di diluenti può rendere i pellet di sintesi difficili da accendere ed inoltre, si è segnalato che l’incorporazione di cloruro di sodio può causare una combustione incompleta dei pellet, con conseguente riduzione delle rese di fosfuro di boro.
Per ovviare a queste problematiche una miscela di particelle di fosfato di boro fine e di magnesio metallico è impaccata senza pressare i reagenti e si applica una pressione di circa 700 atm per produrre una miscela con bassa conduttività termica. Dopo l’accensione avviene una reazione autosostenuta avviata dal riscaldamento puntuale di una piccola parte dei materiali, ovvero una quantità minima di energia in ingresso solo per scopi di avvio in cui il calore si propaga per conduzione
Usi
A causa del suo elevato band gap e della sua elevata trasmittanza ottica il fosfuro di boro può essere utilizzato in dispositivi optoelettronici come LED e celle solari con elevata efficienza di conversione fotoelettrica e stabilità.
L’elevata conduttività termica e le elevate proprietà isolanti del fosfuro di boro possono essere applicate ai materiali di imballaggio microelettronici e ai materiali di dissipazione del calore. È un materiale ideale per la dissipazione del calore e può essere utilizzato in settori quali l’elaborazione ad alte prestazioni e il confezionamento di semiconduttori.
Il fosfuro di boro per la sua elevata conduttività termica e il basso coefficiente di espansione termica è utilizzato nei materiali di gestione termica e dissipazione del calore e si può utilizzare come materiale isolante per alte temperature e calore radiante in campi quali stufe ad alta temperatura e dispositivi optoelettronici.
Per la sua elevata conduttività termica, isolamento e stabilità chimica può essere utilizzato per materiali di incapsulamento elettronico. L’aggiunta di fosfuro di boro al materiale di incapsulamento può migliorare la conduttività termica e la resistenza alle alte temperature del materiale e migliorare l’affidabilità dell’incapsulamento.
Può essere utilizzato anche in materiali resistenti all’usura, rivestimenti e additivi per vetro e ceramica. L’aggiunta di fosfuro di boro a materiali resistenti all’usura può migliorare la resistenza del materiale all’usura e alle alte temperature. Inoltre può essere utilizzato anche come materia prima per la preparazione di altri semiconduttori III-V.
I microcristalli di fosfuro di boro sono considerati potenziali substrati dissipatori di calore per dispositivi semiconduttori grazie alla loro elevata conduttività termica paragonabile a quella del nitruro di boro. Si è segnalata la loro potenziale applicazione nei rivelatori di neutroni allo stato solido, grazie all’ampia sezione trasversale di cattura dei neutroni termici dell’isotopo boro-10.
Inoltre allo stato microcristallino è un combustibile potenzialmente utile per composizioni pirotecniche, in particolare quelle destinate alla produzione di fumo, a causa del suo elevato contenuto di fosforo
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il 13 Dicembre 2024