Нитрид индия

Нитрид индия (InN) — бинарное неорганическое соединение индия и азота. Индий относится к постпереходным металлам III группы (13-й группы по IUPAC), а не к редкоземельным элементам. Соединение представляет собой чёрные диамагнитные кристаллы гексагональной сингонии (структурный тип вюрцита). InN — узкозонный полупроводник группы A^IIIB^V с прямой запрещённой зоной ~0,7 эВ. Вещество нерастворимо в воде, термически нестабильно и разлагается при относительно низких (для нитридов III группы) температурах.

Физико-химические свойства нитрида индия

Нитрид индия кристаллизуется в термодинамически стабильной гексагональной фазе вюрцита (пространственная группа P6₃mc). Параметры элементарной ячейки: a = 0,3533 нм, c = 0,5693 нм, Z = 2. Возможна также метастабильная кубическая модификация (структура сфалерита), получаемая в тонких плёнках при определённых условиях эпитаксиального роста.

Параметр	Значение
Химическая формула	InN
Регистрационный номер CAS	25617-98-5
Молярная масса	128,83 г/моль
Плотность (рентгеноструктурная, 298 К)	6,81 г/см³
Кристаллическая структура	Вюрцит (гексагональная), P63mc
Параметры ячейки	a = 0,3533 нм; c = 0,5693 нм
Ширина запрещённой зоны (300 К)	~0,7 эВ (прямая)
Температура Дебая	660 К (при 300 К)
Внешний вид	Чёрные диамагнитные кристаллы

Термическая стабильность InN

Ключевая особенность нитрида индия — крайне низкая (по сравнению с AlN и GaN) термическая стабильность. Связь In–N слабая, и при нагреве InN разлагается на металлический индий и газообразный азот:

2InN → 2In + N₂↑

При атмосферном давлении азота диссоциация InN начинается уже при ~550–630 °C. Для сравнения: GaN стабилен до значительно более высоких температур. Равновесное давление азота над InN резко возрастает с температурой. По данным исследований (MacChesney и соавт.), при давлении азота ~60 кбар InN сохраняет стабильность до ~710 °C. Условная «температура плавления» InN составляет около 1100 °C (1373 К), однако достижима только при чрезвычайно высоком давлении азота, исключающем диссоциацию. В практических условиях InN разлагается, не достигая жидкого состояния.

Химические свойства

Нитрид индия нерастворим в воде, не образует кристаллогидратов, не гигроскопичен. Вещество устойчиво к большинству органических растворителей. Взаимодействует с концентрированными минеральными кислотами и щелочами. При низких температурах (ниже ~3–4 К) тонкие поликристаллические плёнки InN проявляют сверхпроводящие свойства; при допировании магнием критическая температура сверхпроводимости может достигать ~4 К.

Полупроводниковые свойства нитрида индия

Нитрид индия — узкозонный полупроводник с прямой запрещённой зоной. Современное установленное значение ширины запрещённой зоны составляет ~0,7 эВ при комнатной температуре. Ранее, до получения высококачественных эпитаксиальных плёнок методами MBE и MOCVD, ширина запрещённой зоны InN ошибочно оценивалась в ~1,9 эВ — пересмотр этого значения в начале 2000-х годов стал важным событием в физике полупроводников III-нитридов.

Параметр	Значение
Ширина запрещённой зоны	~0,7 эВ (прямая, 300 К)
Эффективная масса электрона	0,11 m0
Подвижность электронов	до 2000 см²/(В·с) и выше в высококачественных плёнках
Диэлектрическая проницаемость (статическая)	15,3 (при 300 К)
Показатель преломления (ИК)	~2,9 (при 300 К)

Малая эффективная масса электрона и высокая подвижность носителей заряда делают InN перспективным материалом для высокочастотной электроники.

Система InN–GaN–AlN и сплавы InGaN

InN входит в семейство нитридов III группы наряду с нитридом галлия (GaN, запрещённая зона ~3,4 эВ) и нитридом алюминия (AlN, ~6,0 эВ). Тройной сплав In_xGa_1–xN (нитрид индия-галлия) позволяет плавно перестраивать ширину запрещённой зоны от 0,7 эВ (чистый InN, инфракрасный диапазон) до 3,4 эВ (чистый GaN, ультрафиолетовый диапазон). Именно эта способность перекрывать практически весь солнечный спектр — от УФ до ИК — определяет основные области применения нитрида индия.

Важно: сам InN с запрещённой зоной 0,7 эВ является инфракрасным полупроводником. Для работы в ультрафиолетовом и видимом диапазонах используются сплавы InGaN с преобладанием галлия. InN в таких сплавах выступает компонентом, сужающим запрещённую зону и расширяющим спектральный диапазон.

Применение нитрида индия

Светодиоды и лазерные диоды

Сплавы InGaN — основа активных слоёв современных синих, зелёных и белых светодиодов, а также лазерных диодов. Варьирование содержания индия позволяет настраивать длину волны излучения: от ближнего УФ (~390 нм при x ≈ 0,1) до зелёного (~530 нм при x ≈ 0,3) и далее в длинноволновую область. Исследования ИФМ РАН продемонстрировали стимулированное излучение из эпитаксиальных гетероструктур на основе InN в ближнем ИК-диапазоне (1,66–1,9 мкм), что открывает перспективы для телекоммуникационных лазеров.

Солнечная энергетика

Узкая запрещённая зона InN (~0,7 эВ) позволяет поглощать фотоны с длиной волны до ~1770 нм. Многопереходные фотоэлементы на основе сплавов InGaN с различным содержанием индия теоретически способны утилизировать значительную долю солнечного спектра. Однако создание коммерчески жизнеспособных InGaN-солнечных элементов остаётся нерешённой задачей: основные технические трудности — получение p-типа проводимости в InN и индий-обогащённых сплавах InGaN, а также высокая плотность дефектов в эпитаксиальных слоях.

Высокочастотная электроника

Высокая подвижность электронов и малая эффективная масса делают InN перспективным материалом для транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT), рассчитанных на работу в терагерцовом диапазоне частот.

Формы поставки нитрида индия

Нитрид индия поставляется преимущественно в виде порошка различной чистоты и дисперсности. Типичные градации чистоты: от 99,9% до 99,999% (по металлам). Выпускаются также субмикронные и нанопорошковые формы. Упаковка — герметичная, в атмосфере инертного газа для предотвращения окисления. Для исследовательских и производственных нужд тонкоплёночные структуры InN получают методами молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE), газофазного осаждения из металлоорганических соединений (MOCVD) и атомно-слоевого осаждения (ALD).

Нитрид индия входит в группу полупроводниковых соединений A^IIIB^V, для синтеза которых используется высокочистый металлический индий.

Безопасность при работе с нитридом индия

Пыль нитрида индия оказывает раздражающее действие на кожу, глаза и дыхательные пути. Соединения индия при длительном ингаляционном воздействии способны вызывать поражения лёгких, печени и почек. Фосфид индия (InP) — родственное соединение той же группы — классифицирован IARC как вероятный канцероген (группа 2A). Полная токсикологическая оценка самого InN не завершена. ПДК индия и его соединений в воздухе рабочей зоны составляет 0,1 мг/м³ по элементарному индию (NIOSH REL, ACGIH TLV). При работе с порошком InN обязательны средства защиты органов дыхания (респиратор), защитные очки и перчатки. Хранение — в герметичной таре, в сухом прохладном помещении, вдали от источников тепла и окислителей.