Il fosfuro di indio è un semiconduttore binario costituito da indio appartenente al gruppo 13 della Tavola Periodica e fosforo appartenente al gruppo 15 con formula InP. Appartiene al gruppo dei semiconduttori III-V, con una banda proibita elevata a temperatura ambiente. Questa band gap diretta consente la generazione e il rilevamento efficienti della luce nei dispositivi optoelettronici, rendendo il fosfuro di indio un materiale interessante per queste applicazioni.
Il fisico tedesco Heinrich Johann Welker nel 1952 fu il primo a ipotizzare che il fosfuro di indio avesse le potenzialità per poter essere usato quale semiconduttore. Il fosfuro di indio esiste in due forme cristalline wurtzite (WZ) e blenda di zinco (ZB) con bande proibite dirette rispettivamente di 1.42 e 1.35 eV a temperatura ambiente ed è un materiale promettente per la costruzione di circuiti nanointegrati.
I diodi al fosfuro di indio stanno emergendo come materiale semiconduttore promettente per applicazioni optoelettroniche grazie alle loro proprietà uniche e ai potenziali vantaggi rispetto ai materiali tradizionali come l’arseniuro di gallio (GaAs) e il silicio. Il fosfuro di indio, infatti, ha una mobilità degli elettroni maggiore rispetto ai tradizionali arseniuro di gallio e silicio e ciò si traduce in un funzionamento più rapido del dispositivo e una maggiore efficienza.
Inoltre dimostra una stabilità termica migliore rispetto a GaAs, con conseguente miglioramento delle prestazioni del dispositivo alle alte temperature e una bassa perdita di assorbimento ottico nell’intervallo di lunghezze d’onda da 1.0 a 1.6 µm, rendendolo adatto per sistemi di comunicazione ottica a lunga lunghezza d’onda.
Preparazione del fosfuro di indio
Il fosfuro di indio può essere preparato dalla reazione del fosforo bianco e dello ioduro di indio a 400 °C secondo la reazione:
P4 + 4 InI3 → 4 InP + 6 I2
I punti quantici o quantum dots (QD) di InP, emersi negli ultimi anni come alternative ai tradizionali materiali a base di metalli pesanti di cadmio e piombo adatti per applicazioni biomediche grazie alla loro natura non tossica, sono ottenuti dalla reazione tra fosforo bianco e sodio metallico reagiscono in dimetilformammide o 1,2-dietossietano con formazione del fosfuro di sodio:
P4 + 12 Na → 4 Na3P
Nel secondo stadio della reazione si fa reagire il fosfuro di sodio con il cloruro di indio in 4-etilpiridina o dimetilformammide per formare nanoparticelle di fosfuro di indio:
Na3P + InCl3 → InP + 4 NaCl
Altre vie sintetiche prevedono la reazione di fosforo rosso con ioduro di indio a 400 ° C o combinando gli elementi puri ad alta temperatura e pressione oppure mediante disintegrazione termica di una combinazione di composti di trialchil indio e fosfina.
I fili quantici di fosfuro di indio possono essere ottenuti sia mediante tecniche in fase vapore di ossidi metallici che in soluzione e presentano il vantaggio di essere a basso costo, facili nel controllo della composizione e operativi a temperature relativamente basse.
La sintesi di fili quantici di fosfuro di indio in soluzione viene realizzata a partire dalla reazione tra InP con ossido di indio ad alta temperatura da cui si formano vapori di indio e fosforo. Questi sono poi trasportati in una zona di deposizione a bassa temperatura a cui è segue la ricristallizzazione in presenza di vapori di ossido.
Per ottenere punti quantici emissivi, il nucleo di fosfuro di indio è rivestito con uno strato di un semiconduttore con band gap più elevato come il solfuro di zinco per formare un’eterostruttura nucleo-guscio che aumenta notevolmente la resa quantica della fotoluminescenza
Applicazioni
L’InP viene utilizzato come base di tre principali campi di applicazione, tra cui componenti optoelettronici, elettronica ad alta velocità e fotovoltaico. I semiconduttori nanocristallini di fosfuro di indio hanno bassa densità ed elevata conduttività termica rispetto ai comuni semiconduttori e pertanto utilizzati nell’elettronica ad alta potenza e ad alta frequenza in laser e fotorilevatori.
A causa della loro ridotta tossicità e della gamma di possibilità di regolazione delle emissioni dal visibile al vicino infrarosso, i punti quantici di fosfuro di indio rappresentano quindi un’opzione valida. I nanocristalli semiconduttori sono materiali fluorescenti di dimensioni nanometriche le cui proprietà ottiche possono essere perfezionate modificando la dimensione del nucleo o espandendo un guscio attorno al nucleo.
I QD del fosfuro di indio vengono utilizzati nel rilevamento di metalli pesanti come alternativa ai materiali a base di cadmio. Laser e LED basati su InP possono emettere luce con un intervallo di lunghezze d’onda da 1200 nm a 12 μ utilizzate nelle telecomunicazioni e nella trasmissione dati basate su fibra. I substrati InP vengono utilizzati nelle celle fotovoltaiche con la massima efficienza, fino al 46%, per creare la migliore configurazione di band gap e convertire efficacemente la luce solare in energia elettrica.