Semiconduttori II-VI

I semiconduttori II-VI sono costituiti da un metallo del gruppo 2 o 12 della tavola periodica ovvero da metalli alcalino-terrosi o elementi del gruppo 12, chiamati in precedenza gruppi IIA e IIB, e un non metallo del gruppo 16 ovvero il gruppo dei calcogeni, precedentemente chiamato gruppo VI. I semiconduttori II-VI sono più comunemente costituiti da metalli come cadmio, zinco e mercurio e non metalli come zolfo, selenio e tellurio.

I semiconduttori II-VI come ZnS, CdS e CdTe, che hanno attirato un crescente interesse a causa delle loro applicazioni tecnologiche, sono una classe speciale di materiali con proprietà intermedie a quelle degli isolanti e dei conduttori.

Tra i semiconduttori II-VI vi è l’ossido di zinco la cui prima applicazione risale a qualche fa all’età del bronzo, quando si cominciò ad usarlo per curare le ferite. Successivamente i romani impararono a utilizzarlo nella produzione dell’ottone. Al giorno d’oggi, l’ossido di zinco è un componente essenziale presente in vari prodotti, come plastica, ceramica, gomma, lubrificanti, batterie, vernici, rivestimenti protettivi, ritardanti di fiamma e prodotti farmaceutici

Proprietà dei semiconduttori II-VI

I semiconduttori II-VI costituiscono una classe particolare di materiali semiconduttori a causa delle loro proprietà fisiche specifiche. Tuttavia, possono essere paragonati ai semiconduttori III-V come arseniuro di gallio e fosfuro di indio per le loro strutture ingegneristiche con gap di banda. Una delle proprietà chiave dei semiconduttori II-VI è che hanno un ampio intervallo di banda, il che significa che possono assorbire ed emettere luce su un’ampia gamma di lunghezze d’onda.

Ciò li rende interessanti per l’uso nei dispositivi optoelettronici, poiché possono essere utilizzati per generare e rilevare un’ampia gamma di colori. Hanno una buona conduttività elettrica e buona conduttività termica, sono resistenti alle radiazioni e hanno un elevato punto di fusione, che li rende resistenti alla degradazione.

Finora il loro sviluppo era essenzialmente legato alle esigenze del rilevamento e dell’immagine a infrarossi nelle finestre di trasmissione atmosferica da 8 a 12 µn e da 3 a 5 µm, e più recentemente nell’intervallo di lunghezze d’onda che corrispondono alle trasmissioni in fibra ottica.

La struttura elettronica di questi materiali presenta un certo numero di caratteristiche peculiari che non sono riscontrabili in nessuna altra famiglia di semiconduttori: ampia gamma di band gap, risonanza spin-orbita, effetti specifici con ioni magnetici nel reticolo cristallino. I semiconduttori II-VI sono diamagnetici, ma possono diventare paramagnetici o ferromagnetici su scala nanometrica.

I nanocristalli dei semiconduttori II-VI, noti come punti quantici (QD) sono caratterizzati da particolari proprietà ottiche come ampio assorbimento e bande di emissione nette nonché fotoluminescenza regolabile in base alle dimensioni nella gamma spettrale della luce visibile.

Preparazione

Negli ultimi anni, i materiali nanostrutturali unidimensionali, come nanotubi e nanofili, hanno attirato molta attenzione sia per la loro importanza che per l’ampio potenziale della loro applicazione nei nanodispositivi. Sono stati studiati molti approcci sperimentali per ottenere nanofili, utilizzando una varietà di tecniche di nanofabbricazione e metodi di crescita dei cristalli, tra cui la scarica ad arco, l’ablazione laser e la crescita catalitica.

Uno dei metodi per la preparazione di semiconduttori II-VI è quello elettrochimico. Il solfuro, seleniuro e il tellururo di cadmio, ad esempio, possono essere depositati al catodo in una cella di vetro dotata di elettrodo di platino come anodo e di ossido di alluminio nanoporoso con substrato di argento come catodo.

Per ottenere i quantum dots sono necessari appropriati precursori metallici o organometallici  con corrispondenti precursori del calcogeno in un solvente appropriato e alte temperature. Tipicamente i quantum dots di CdSe e CdTe sono sintetizzati a 230–300 ° C dalla reazione tra dimetil cadmio Cd(CH₃)₂ disciolto in triottilfosfina, composto organofosforico con la formula P(C₈H₁₇)₃,  e  seleniuro di triottilfosfina (TOPSe), composto organofosforico con la formula SeP( ₈H₁₇)₃ disciolto in triottilfosfina o in ossido di triottilfosfina.

Il sistema di maggior successo per la preparazione di quantum dots con elevata efficienza di emissione e particelle mono disperse comprende una miscela complessa di tensioattivi costituita da acido stearico, ossido di triottilfosfina, esadecilammina, tributilfosfina e diottilammina.

Tuttavia, a causa della tossicità del dimetil cadmio che inoltre, costoso, instabile, esplosivo e piroforico, e rendendo le reazioni difficili da controllare sono stati utilizzati precursori alternativi del cadmio come l’ossido di cadmio e l’acetato di cadmio che sono più sicuri ed ecologici. Ad esempio è stata realizzata la sintesi di nanocristalli di CdSe da ossido di cadmio e selenio come esempio di chimica verde con materiali relativamente sicuri.

Seleniuro di cadmio

Il seleniuro di cadmio è un composto appartenente al gruppo dei semiconduttori II-VI. che può presentarsi sotto forma di wurtzite, sfalerite salgemma cubico sebbene quella più comunemente trovata e utilizzata è la wurtzite.

A temperatura ambiente, ha una banda proibita diretta di 1.74 eV, che rientra nello spettro visibile. Nel 1879, il chimico francese MJ Margottet preparò il seleniuro di cadmio riscaldando il cadmio elementare in una corrente di seleniuro di idrogeno H₂Se e sublimando successivamente il prodotto in un’atmosfera di idrogeno.

Da allora è stato prodotto anche trattando il cloruro o il solfato di cadmio con seleniuro di idrogeno. Attualmente, nell’era delle nanotecnologie, il seleniuro di cadmio è prodotto dalla reazione tra ossido di cadmio e selenio elementare utilizzando, quale solvente, la trialchilfosfina. Grazie alle loro proprietà le nanoparticelle di seleniuro di cadmio sono ben utilizzate nel campo dei biosensori, bioimaging, celle fotovoltaiche e trasporto di farmaci.

Solfuro di zinco

Il solfuro di zinco appartiene al gruppo dei semiconduttori II-VI che ha un band gap compreso tra 3.6 e 3.8 eV le cui proprietà rimangono inalterate anche quando la dimensione è ridotta a scala nanometrica. Pertanto, i nanomateriali ZnS mostrano un’eccellente attività fotocatalitica.

La tecnologia fotocatalitica, una tecnica innovativa basata sul processo di ossidazione avanzata, è considerata una tecnologia verde con prospettive promettenti nella risoluzione dei problemi ambientali globali. Nella fotocatalisi un ruolo molto importante è attribuito al fotocatalizzatore, solitamente un materiale semiconduttore con elevata capacità di assorbimento della luce solare e conduttività per i portatori di carica generata dalla luce.

Il solfuro di zinco, come semiconduttore di tipo n, è riconosciuto come un promettente fotocatalizzatore per la rimozione di inquinanti organici dalle acque reflue, soprattutto sotto irradiazione con luce UV. I film sottili di solfuro di zinco hanno attirato sempre più attenzione grazie alle loro potenziali applicazioni nella nuova generazione di dispositivi nanoelettronici e optoelettronici.

Le nanoparticelle ZnS nella loro forma drogata con metalli di transizione hanno ricevuto molta attenzione come classe di materiali particolarmente luminescenti. In generale, lo ZnS drogato con questi ioni metallici offre nuove opportunità come luminescenza a colori nella regione UV-visibile utilizzata per varie applicazioni e scopi di ricerca.

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