Nitruro di indio
Il nitruro di indio InN è un semiconduttore III-V che ha un band gap di 0.7 eV che corrisponde alla regione del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico della luce con un grande potenziale per molte applicazioni, tra cui l’elettronica ad alta velocità e celle solari ad alta efficienza.
Quando uno degli elementi del gruppo 13 un tempo indicato come gruppo III ovvero boro, alluminio, gallio o indio, viene legato all’azoto, elemento del gruppo 15 indicato come gruppo V, si forma un semiconduttore III-V Diverse combinazioni di elementi hanno prodotto più di venticinque composti semiconduttori III-V, di cui esempi sono il nitruro di indio, l’arseniuro di gallio (GaAs), il nitruro di gallio (GaN) e il nitruro di alluminio (AlN).
I nitruri del gruppo III sono ora una classe di materiali semiconduttori ampiamente studiata e hanno trovato successo commerciale negli ultimi quindici anni come diodi emettitori di luce e laser nelle regioni dal verde al vicino ultravioletto dello spettro elettromagnetico. Tra questi il nitruro di indio è stato poco attenzionato in quanto è difficile da ottenere puro e monocristallino ed inoltre esistono semiconduttori alternativi e ben caratterizzati come GaAs e AlGaAs che hanno band gap di energia vicini a 1.89 eV che era quello che, in precedenza, era associato al nitruro di indio.
Per oltre trent’anni al band gap del nitruro di indio era stato attribuito un valore nell’intervallo di 1.8-2.0 eV a causa dell’elevata contaminazione di ossigeno che sposta significativamente il limite di assorbimento. Infatti, recenti misurazioni che utilizzano processi di crescita più affidabili e materiali di qualità cristallina superiore, hanno riportato un valore di 0.7 eV.
La scoperta di questo valore di band gap inferiore, insieme alla massa effettiva più piccola, alla mobilità più grande e alle velocità di picco e saturazione più elevate del nitruro di indio ha consentito nuove applicazioni di dispositivi, tra cui celle solari multi-giunzione ad alta efficienza, diodi a emissione di luce multicolore ad alta luminosità e transistor ad alta mobilità elettronica
Preparazione del nitruro di indio
La preparazione del nitruro di indio è resa difficoltosa a causa della sua temperatura di decomposizione relativamente bassa di circa 500°C. Poiché i nitruri sono abitualmente preparati dalla nitrurazione degli ossidi che richiede elevate temperature si sono esplorati metodi alternativi che richiedono temperature inferiori.
Finora, sono stati fatti sforzi considerevoli nella sintesi del nitruro di indio nanostrutturato attraverso diversi metodi di sintesi come la pirolisi dell’indio ammide In(NH2)3, percorsi che utilizzano precursori organometallici, sintesi diretta ad alta pressione e ammonolisi ad alta temperatura.
Film sottili di nitruro di indio sono stati ottenuti mediante sputtering magnetronico, tecnica di deposizione fisica da vapore (PVD) in cui un materiale bersaglio viene bombardato con ioni ad alta energia da un plasma, provocando l’espulsione di atomi dal bersaglio e il loro deposito su un substrato.
I film sottili di nitruro di indio possono anche essere ottenuti tramite epitassia di fase vapore metallo-organica, processo realizzato per la prima volta nel 1968 al North American Aviation Science Center, in cui la crescita dei cristalli avviene per reazione chimica e non per deposizione fisica.
I cristalli singoli di nitruro di indio sono stati preparati mediante epitassia a strati atomici che consiste nella deposizione di atomi provenienti da fase gassosa su una sottile lamina di silicio drogata assistita da UV. Nanocristalli di nitruro di indio sono stati ottenuti a bassa temperatura da bromuro di indio InBr3 e sodio ammide NaNH2 a bassa temperatura mentre i cristalli di questo semiconduttore possono essere ottenuti a 240°C dalla reazione tra ossido di litio e indio LiInO2 e sodio ammide.
Tuttavia, è ancora difficile sintetizzare il nitruro di indio tramite una reazione chimica in un unico passaggio a bassa temperatura da materie partendo da prime economiche e disponibili. Una recente strategia sintetica prevede un percorso assistito da additivi per sintetizzare boruri, nitruri e carburi a una temperatura relativamente bassa.
Nanoparticelle di nitruro di indio sono state ottenute attraverso una reazione allo stato solido tra l’idrossido di indio In(OH)3, tiosolfato di sodio Na2S2O3 e sodio ammide a 250-300°C. Tale metodo di sintesi presenta il vantaggio di avere un’alta resa, una bassa temperatura di reazione e un basso costo.
Applicazioni
L’interesse per il nitruro di indio è dovuto principalmente al suo stretto band gap che rende questo semiconduttore un materiale promettente per l’applicazione in un’ampia classe di dispositivi optoelettronici.
Presenta transizioni ottiche interbanda che rientrano nell’intervallo 1.5-1.9 μm e pertanto può integrare il nitruro di gallio e il nitruro di alluminio ed aumentare in modo significativo le possibili applicazioni dei dispositivi all’intero intervallo spettrale, dall’UV al vicino IR.
Grazie alla mobilità degli elettroni attraverso il nitruro di indio con estrema facilità, è possibile inviare elettroni attraverso il materiale a velocità molto elevate e creare segnali con frequenze estremamente elevate. Ciò significa che il nitruro di indio può essere utilizzato nell’elettronica ad alta frequenza, dove può fornire, ad esempio, nuove frequenze per il trasferimento dati wireless.
Grazie alla sua elevata mobilità elettronica, spesso superiore a 1000 cm²/V·s a temperatura ambiente, il nitruro di indio può essere utilizzato nella fabbricazione di transistor e altri componenti elettronici ad alta velocità e i dispositivi basati su questo semiconduttore possono essere utilizzati nei diodi a emissione luminosa (LED), nei laser e nei fotodetector, in particolare per applicazioni nella gamma degli infrarossi.
Il nitruro di indio è studiato per applicazioni nelle celle solari, poiché potrebbe consentire una conversione più efficiente della luce solare, soprattutto in combinazione con altri semiconduttori III-V in quanto potrebbe potenzialmente essere incorporato in celle solari per un assorbimento della luce più efficiente su diverse lunghezze d’onda.
Ha il potenziale per essere utilizzato nei transistor ad alta mobilità degli elettroni (HEMT), che possono essere impiegati in applicazioni ad alta frequenza e alta potenza come dispositivi di comunicazione, radar e sistemi satellitari.
La differenza significativa nei gap energetici fondamentali del nitruro di gallio e del nitruro di indio ha consentito di progettare il gap energetico su un ampio intervallo che va da 3.4 eV a 0.78 eV tramite la loro lega reciproca.
Sperimentalmente, si è scoperto che il gap di banda della lega Ga1 − xIn x N varia continuamente da 3.51 GaN a 0.78 eV InN per la struttura wurtzite (WZ) del materiale e da 3.30 eV per GaN a 0.78 eV per InN man mano che la composizione aumenta da zero a uno che copre quasi l’intero spettro solare, rendendolo un materiale adatto per aumentare l’efficienza dei dispositivi fotovoltaici.
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il 28 Gennaio 2025