Il fosfuro di boro (BP) si distingue come un semiconduttore rinomato per la sua notevole durezza e resistenza, con una temperatura di fusione di 1100 °C a pressione ambiente. La sua stabilità chimica elevata a temperature elevate lo rende un materiale di grande interesse per una vasta gamma di applicazioni tecnologiche.

Caratteristiche del fosfuro di boro

Classificato tra i semiconduttori III-V, il fosfuro di boro è composto da elementi presenti nei gruppi III e V della Tavola Periodica. La sua scoperta risale agli anni ’50, grazie a studi condotti presso l’Istituto Ioffe, dove fenomeni fondamentali legati a questi semiconduttori sono stati esplorati da scienziati illustri. Tra le loro principali caratteristiche, spiccano la combinazione degli elementi del gruppo III, come il boro e l’alluminio, con quelli del gruppo V, come il fosforo e l’arsenico.

Nonostante il suo potenziale, il fosfuro di boro è meno studiato rispetto ai suoi omologhi più noti, come l’arseniuro di gallio e il fosfuro di indio. La sua conduttività termica elevata e la durezza straordinaria lo pongono come candidato ideale per applicazioni in cui è richiesta stabilità e resistenza. Esso è stato studiato per usi nei rivestimenti resistenti alla corrosione, nelle celle solari e come fotocatalizzatore.

Proprietà strutturali e sintesi

La struttura cristallina del fosfuro di boro, simile a quella dell’arseniuro di gallio, mostra atomi di boro e fosforo coordinati in modo tetraedrico. Questa configurazione è responsabile delle sue eccellenti proprietà chimiche e semiconduttrici. L’ampio band gap di 2.1 eV lo rende un candidato promettente per applicazioni in fotocatalisi e generazione di ossigeno.

La sintesi del fosfuro di boro pone delle sfide a causa delle diverse reattività dei componenti coinvolti. Mentre il fosforo è molto reattivo, il boro richiede temperature estremamente elevate per reagire. Nel corso degli anni, diversi metodi chimici e precursori sono stati utilizzati per ottenere questo semiconduttore, inclusi alogenuri di boro e fosforo. Tecniche innovative, come la sintesi solvotermica, sono state sviluppate per migliorare l’efficienza nella produzione di nanocristalli di fosfuro di boro, facilitando l’uso di solventi a temperature elevate in sistemi chiusi.

Ultimamente, un processo ad alta temperatura auto-propagante ha dimostrato di essere efficace per ottenere fosfuro di boro puro, sebbene la presenza di impurità come il subfosfuro di boro continui a rappresentare una sfida. La ricerca è in corso per ottimizzare i metodi di sintesi e migliorare la purezza e l’efficienza dei materiali prodotti.

Grazie alle sue proprietà, il fosfuro di boro può posseggere applicazioni significative nei settori della microelettronica e dei materiali termici, fungendo da materiale di imballaggio o dissipazione del calore. La sua capacita di mantenere elevati livelli di conduttività termica lo rende ideale per i dispositivi che operano in condizioni termiche estreme.

Fonte Verificata

L’arseniuro di indio è un semiconduttore di tipo n a banda stretta, composto da arsenico e indio, con una formula chimica di AsIn. Questo materiale è noto per la sua elevata mobilità elettronica, rendendolo ideale per l’impiego in fotodiodi operanti nella gamma dell’infrarosso.

Caratteristiche e composizione

Classificato come un semiconduttore III-V, l’arseniuro di indio si compone di elementi appartenenti ai gruppi III e V della Tavola Periodica. La scoperta e il progresso della tecnologia dei semiconduttori III-V furono avviati negli anni ’50 presso l’Istituto Ioffe. Sotto la direzione di scienziati di spicco come Nina Aleksandrovna Goryunova e Dmitry Nikolayevich Nasledov, iniziò la ricerca delle loro proprietà fondamentali.

I semiconduttori III-V, che vantano una transizione energetica a gap diretto, integrano elementi del gruppo III, come boro, alluminio, gallio e indio, con quelli del gruppo V, tra cui azoto, fosforo, arsenico e antimonio. Materiali come il fosfuro di indio e l’arseniuro di indio si stanno affermando come alternative più ecologiche rispetto agli emettitori NC basati su metalli pesanti, come il seleniuro di cadmio e il tellururo di cadmio.

Varie tipologie di semiconduttori III-V, tra cui arseniuro di gallio, fosfuro di indio e nitruro di gallio, sono ampiamente utilizzate e rappresentano componenti fondamentali di dispositivi optoelettronici, come diodi a emissione luminosa, fotorivelatori, laser e celle solari ad alta efficienza.

Proprietà fisiche

Un aspetto distintivo dell’arseniuro di indio è la presenza di un accumulo superficiale naturale, dovuto a un’alta densità di stati superficiali donatori che posizionano il livello di Fermi al di sopra della banda di conduzione. La sua struttura cristallina, nota come blenda di zinco, consiste in quattro atomi di arsenico e quattro atomi di indio.

Questo semiconduttore presenta un band gap di 0.354 eV a temperatura ambiente (300 K), una densità di 5.67 g/cm³ e una temperatura di fusione di 942 °C. La mobilità elettronica, una misura della rapidità degli elettroni in un campo elettrico, raggiunge i 40.000 cm²/V·s. Inoltre, la conducibilità termica è di 0.27 W/cm·K, mentre l’indice di rifrazione si attesta a 4, con una costante reticolare di 6.05838 Å.

Sintesi del materiale

Esistono diversi metodi per la produzione di film sottili di arseniuro di indio, tra cui la deposizione in bagno chimico (CBD) e l’elettrodeposizione (ED). Nella CBD, ioni acquosi si depositano su un substrato solido, mentre l’elettrodeposizione comporta l’accumulo di materiali da una soluzione liquida.

Altri approcci includono la pirolisi a spruzzo chimico (CSP), in cui una soluzione viene spruzzata su una superficie calda e reagisce formando un film chemico. La tecnica di evaporazione termica è ben nota per la creazione di film sottili, in cui il materiale sorgente viene vaporizzato e depositato su un substrato, solitamente vetro.

Inoltre, i punti quantici di arseniuro di indio sono stati prodotti attraverso una procedura di iniezione a caldo, utilizzando il cloruro di indio (I) come precursore chiave, per generare arsenuiro di indio colloidale.

Punti quantici di arseniuro di indio

I punti quantici, noti anche come quantum dots colloidali, rappresentano particelle semiconduttrici di dimensioni nanometriche, caratterizzate da proprietà ottiche ed elettroniche uniche legate ai loro effetti meccanici quantistici. Questi materiali si presentano come opzioni promettenti per i sistemi fotovoltaici di nuova generazione, poiché la loro dimensione influenza il band gap ottico, favorendo un assorbimento efficiente della luce solare.

I punti quantici che emettono nella regione infrarossa sono considerati elementi costitutivi vitali per diverse applicazioni fotoniche, optoelettroniche e biomediche. Tuttavia, preoccupazioni riguardo alla tossicità dei materiali convenzionali, come i CQD a base di piombo e mercurio, stanno spingendo la ricerca verso alternative più sicure, come i CQD di arseniuro di indio, capaci di assorbire ed emettere luce nell’intera gamma dello spettro infrarosso.

Applicazioni pratiche

L’arseniuro di indio trova molteplici applicazioni nell’elettronica dei semiconduttori, in particolare nei rilevatori a infrarossi e sensori piroelettrici. Questi dispositivi, essenziali per analisi di gas, rilevamento di fiamme, analisi spettrali e misurazioni di temperatura senza contatto, si basano sulle proprietà uniche del materiale.

In aggiunta, viene utilizzato nella generazione di radiazioni terahertz e in laser a diodi ad alte prestazioni. Grazie alla sua alta mobilità elettronica, l’arseniuro di indio è indicato per applicazioni elettroniche di alta velocità, come i transistor a effetto di campo, molto diffusi nei circuiti elettronici.

Infine, è impiegato nella realizzazione di refrigeratori termoelettrici, mini pompe di calore capaci di ottimizzare la temperatura nei chip di rilevamento, garantendo prestazioni eccellenti anche a -70 °C e un controllo preciso di 0.1 °C.

Fonte Verificata