Antimoniuro di indio

composto chimico

L'antimoniuro di indio (formula chimica: InSb) è un composto cristallino costituito dagli elementi indio (In) e antimonio (Sb). Si tratta di un materiale semiconduttore a gap ridotto del gruppo III-V utilizzato nei rivelatori a infrarossi, comprese le termocamere, i sistemi FLIR, i sistemi di guida dei missili a ricerca a infrarossi e nell'astronomia a infrarossi. I rilevatori di antimoniuro di indio sono sensibili tra le lunghezze d'onda di 1-5 µm.

Antimoniuro di indio
frammento di antimoniuro di indio
frammento di antimoniuro di indio
Nome IUPAC
antimoniuro di indio (III)
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareInSb
Peso formula (u)236,6
Aspettosolido grigio-argenteo
Numero CAS1312-41-0
Numero EINECS215-192-3
PubChem3468413 e 20835777
SMILES
[In]#[Sb]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)5,75
Indice di rifrazione4,0
Solubilità in acquainsolubile
Temperatura di fusione527 °C (800 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
irritante pericoloso per l'ambiente
attenzione
Frasi H302 - 332 - 411
Consigli P273 [1]

L'antimoniuro di indio era un rivelatore molto comune nei vecchi sistemi di imaging termico a scansione meccanica a singolo rivelatore. Un'altra applicazione è come sorgente di radiazioni terahertz in quanto è un forte emettitore di foto-Dember.

Storia modifica

Il composto intermetallico è stato segnalato per la prima volta da Liu e Peretti nel 1951, che ne hanno fornito l'intervallo di omogeneità, il tipo di struttura e la costante reticolare[2]. I lingotti policristallini di antimoniuro di indio furono preparati da Heinrich Welker nel 1952, sebbene non fossero molto puri per gli standard odierni dei semiconduttori. Welker era interessato a studiare sistematicamente le proprietà dei semiconduttori dei composti III-V; ha notato come l'antimoniuro di indio sembrava avere un piccolo gap di banda diretto e una mobilità degli elettroni molto elevata[3]. I cristalli di antimoniuro di indio sono coltivati per raffreddamento lento da liquido fuso almeno dal 1954[4].

Proprietà fisiche modifica

L'antimoniuro di indio ha l'aspetto di cristalli di metallo argentato grigio scuro o polvere con lucentezza vitrea. Sottoposto a temperature superiori a 500 °C fonde e si decompone liberando antimonio e vapori di ossido di antimonio.

Ha la forma cristallina della zincoblenda con una costante reticolare di 0,648 nm e possiede gruppo spaziale F43m (gruppo n°216)[5].

Proprietà elettroniche modifica

L'antimoniuro di indio è un semiconduttore a gap stretto con un gap energetico di 0,17 eV a 300 K e 0,23 eV a 80 K[5][6].

L'antimoniuro di indio non drogato possiede la più grande mobilità degli elettroni a temperatura ambiente (78000 cm2/V⋅s)[7], velocità di deriva degli elettroni e lunghezza balistica (fino a 0,7 µm a 300 K)[5] di qualsiasi semiconduttore noto, ad eccezione dei nanotubi di carbonio.

I rivelatori a fotodiodo all'antimoniuro di indio sono fotovoltaici e generano corrente elettrica quando sottoposti a radiazioni infrarosse. L'efficienza quantica interna dell'antimoniuro di indio è effettivamente del 100%, ma è una funzione dello spessore, in particolare per i fotoni vicino al bordo di banda[8]. Come tutti i materiali a banda proibita stretta, i rilevatori ad antimoniuro di indio richiedono ricalibrazioni periodiche, aumentando la complessità del sistema di imaging. Questa complessità aggiuntiva è utile dove è richiesta un'estrema sensibilità, ad esempio nei sistemi di imaging termico militare a lungo raggio. I rivelatori ad antimoniuro di indio richiedono anche un raffreddamento, poiché devono funzionare a temperature criogeniche (tipicamente 80 K). Sono disponibili array di grandi dimensioni (fino a 2048×2048 pixel)[9]. Il tellururo di mercurio e cadmio (HgCdTe) e il siliciuro di platino (PtSi) sono materiali con un uso simile.

Uno strato di antimoniuro di indio inserito tra strati di antimoniuro di alluminio e indio (AlInSb) può fungere da pozzo quantico. In una tale eterostruttura è stato recentemente dimostrato che il rapporto InSb/AlInSb mostra un robusto effetto Hall quantistico[10]. Questo approccio è studiato per costruire transistor molto veloci[11]. I transistor bipolari operanti a frequenze fino a 85 GHz sono stati costruiti con antimoniuro di indio alla fine degli anni '90; transistor a effetto di campo che operano a oltre 200 GHz sono stati segnalati più recentemente (Intel/QinetiQ)[senza fonte]. Alcuni modelli[Quali?] suggeriscono che le frequenze di terahertz sono ottenibili con questo materiale. I dispositivi a semiconduttore ad antimoniuro di indio sono anche in grado di funzionare con tensioni inferiori a 0,5 V, riducendo i requisiti di alimentazione.

Metodi di coltivazione modifica

L'antimoniuro di indio può essere coltivato solidificando un fuso dallo stato liquido (processo Czochralski), o mediante epitassia in fase liquida, epitassia a parete calda o epitassia a fascio molecolare. Può anche essere coltivato da composti organometallici con metodo MOCVD.

Applicazioni modifica

Viene usato nei componenti elettronici come i diodi laser o nei sensori per il rilevamento di radiazioni del lontano infrarosso o microonde.

Un sensore ad antimoniuro di indio per essere funzionante deve essere posto a temperature molto basse (circa 4 kelvin) al fine di ridurre il rumore termico degli elettroni che altrimenti coprirebbero completamente il segnale. Le radiazioni del lontano infrarosso vengono studiate nelle macchine Tokamak al fine di ricavare la temperatura del plasma interno, ma vengono studiate anche dagli astrofisici per rilevare la radiazione cosmica di fondo.

Altre applicazioni modifica

  • Rivelatori di immagini termiche che utilizzano fotodiodi o rivelatori fotoelettromagnetici
  • Sensori di campo magnetico che utilizzano magnetoresistenza o effetto Hall
  • Transistor veloci (in termini di commutazione dinamica). Ciò è dovuto all'elevata mobilità dei portatori di antimoniuro di indio.
  • In alcuni dei rivelatori della telecamera ad infrarossi sul telescopio spaziale Spitzer.

Note modifica

  1. ^ Sigma Aldrich; rev. del 09.04.2012
  2. ^ (EN) T.S. Liu e E.A. Peretti, The Lattice Parameter of InSb, in Trans AIME, vol. 191, 1951, p. 791.
  3. ^ (EN) J.W. Orton, Semiconductors and the Information Revolution: Magic Crystals that Made IT Happen, Academic Press, 2009, pp. 138–139, ISBN 978-04-44-53240-4.
  4. ^ (EN) D. G. Avery, D. W. Goodwin, W. D. Lawson e T. S. Moss, Optical and Photo-Electrical Properties of Indium Antimonide, in Proceedings of the Physical Society, vol. 67, n. 10, 1954, p. 761, DOI:10.1088/0370-1301/67/10/304.
  5. ^ a b c (EN) Properties of Indium Antimonide (InSb), su ioffe.ru.
  6. ^ (EN) Abdel Razik Degheidy, Elkenany Brens Elkenany, Mohamed Abdel Kader Madkour e Ahmed. M. Abuali, Temperature dependence of phonons and related crystal properties in InAs, InP and InSb zinc-blende binary compounds, in Computational Condensed Matter, vol. 16, 1º settembre 2018, p. e00308, DOI:10.1016/j.cocom.2018.e00308.
  7. ^ (EN) Rode, D. L., Electron Transport in InSb, InAs, and InP, in Physical Review B, vol. 3, n. 10, 1971, pp. 3287–3299, DOI:10.1103/PhysRevB.3.3287.
  8. ^ (EN) D. G. Avery, D. W. Goodwin e A. E. Rennie, New infra-red detectors using indium antimonide, in Journal of Scientific Instruments, vol. 34, n. 10, 1957, p. 394, DOI:10.1088/0950-7671/34/10/305.
  9. ^ (EN) M.G. Beckett, 3, in High Resolution Infrared Imaging, Cambridge University, 1995. La pubblicazione citata è una tesi di dottorato
  10. ^ (EN) J. A. Alexander-Webber, A. M. R. Baker, P. D. Buckle, T. Ashley e R. J. Nicholas, High-current breakdown of the quantum Hall effect and electron heating in InSb/AlInSb, in Physical Review B, vol. 86, n. 4, American Physical Society (APS), 5 luglio 2012, pp. 045404, DOI:10.1103/physrevb.86.045404.
  11. ^ (EN) Will Knight, 'Quantum well' transistor promises lean computing, in New Scientist, 10 febbraio 2005. URL consultato l'11 novembre 2020.

Voci correlate modifica

  Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia