Селенид индия

Селенид индия — неорганическое соединение индия с селеном, относящееся к классу халькогенидов. В системе In–Se существует несколько стехиометрических фаз; наибольшее практическое значение имеют моноселенид индия InSe (индий в степени окисления +2) и триселенид дииндия In₂Se₃ (индий в степени окисления +3). Оба вещества представляют собой полупроводники с слоистой кристаллической структурой и находят применение в оптоэлектронике, фотовольтаике и микроэлектронике.

Селенид индия(II) — InSe

Кристаллическая структура и физические свойства InSe

Моноселенид индия InSe — слоистый полупроводник группы III–VI. Каждый слой состоит из четырёх моноатомных плоскостей, связанных ковалентно в последовательности Se–In–In–Se. Между слоями действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса, что позволяет получать тонкие двумерные плёнки методом механического или жидкостного расслаивания (эксфолиации).

Известно несколько политипов InSe: β-InSe (гексагональная сингония, пространственная группа P6₃/mmc), γ-InSe (ромбоэдрическая, R3m) и ε-InSe (гексагональная, P6̄m2). При комнатной температуре в нормальных условиях наиболее стабильна γ-фаза.

InSe устойчив в нормальных условиях на воздухе, в отличие от многих других полупроводников группы III–VI. Подвижность электронов в тонких плёнках InSe достигает 10³ см²·В⁻¹·с⁻¹, что существенно выше, чем у кремния, и делает материал перспективным для высокочастотной электроники.

Получение моноселенида индия

Основной метод выращивания монокристаллов InSe — метод Бриджмена–Стокбаргера: элементарные индий и селен нагревают до температуры выше 900 °C в запаянной кварцевой ампуле, после чего медленно охлаждают в течение нескольких недель. Наилучшее качество кристаллов достигается при небольшом избытке индия в исходной шихте (мольное соотношение In:Se ≈ 0,52:0,48).

Помимо метода Бриджмена применяются зонная плавка, электроосаждение из водных растворов сульфата индия(I) и диоксида селена, а также метод химического транспорта в газовой фазе (CVT).

Применение InSe

InSe используется в следующих областях:

• полевые транзисторы на основе 2D-каналов InSe;
• широкополосные фотодетекторы и фоторезисторы;
• фотовольтаические элементы;
• устройства нелинейной оптики;
• тензорезисторы (датчики деформации);
• газовые сенсоры (в частности, для обнаружения NO₂).

Селенид индия(III) — In₂Se₃

Кристаллическая структура и физические свойства In₂Se₃

Триселенид дииндия In₂Se₃ отличается сложным полиморфизмом: известно не менее пяти фаз (α, β, γ, δ, κ). При комнатной температуре стабильна α-фаза (ромбоэдрическая, слоистая). Каждый слой α-In₂Se₃ состоит из пяти моноатомных плоскостей в последовательности Se–In–Se–In–Se, связанных ковалентно. Между слоями — ван-дер-ваальсово взаимодействие.

Фазовый переход α → β сопровождается изменением электропроводности. Фаза γ-In₂Se₃ обладает дефектной вюрцитной структурой и не является слоистой. Высокотемпературная фаза δ стабильна выше ~720 °C.

In₂Se₃ устойчив в воздушной атмосфере, но разлагается концентрированными минеральными кислотами. В воде нерастворим, кристаллогидратов не образует.

Получение триселенида дииндия

In₂Se₃ синтезируют прямым сплавлением стехиометрических количеств индия и селена при температурах 1000–1100 °C. Тонкие плёнки γ-In₂Se₃ получают методом MOCVD (металлоорганического осаждения из газовой фазы), а также физическим осаждением из паровой фазы (PVT). Для получения двумерных нанолистов используют механическую и жидкостную эксфолиацию.

Применение In₂Se₃

In₂Se₃ является перспективным материалом для ряда технологических направлений:

• фотовольтаика — компонент поглощающего слоя тонкоплёночных солнечных элементов на основе CIGS (селенид меди-индия-галлия);
• энергонезависимая память — материал с фазовым переходом для устройств phase-change memory (PCM);
• сегнетоэлектрические устройства — ультратонкие сегнетоэлектрики для энергонезависимой памяти нового поколения;
• оптоэлектроника — фотодетекторы с высокой чувствительностью;
• мишени для распыления при производстве полупроводниковых тонких плёнок.

Сравнение свойств InSe и In₂Se₃

Оба соединения — полупроводники чёрного цвета с слоистой структурой. Однако они существенно различаются по температуре плавления (разница около 230 °C), набору полиморфных модификаций и ширине запрещённой зоны, что определяет различие в областях применения.

Токсичность и условия работы

InSe и In₂Se₃ нерастворимы в воде и устойчивы в нормальных условиях на воздухе. Селениды, нерастворимые в воде, значительно менее токсичны, чем водорастворимые соединения селена. Тем не менее при работе с порошками селенидов индия необходимо использовать средства индивидуальной защиты: перчатки, защитные очки, респиратор. Это связано с тем, что при контакте с кислотами или при термическом разложении возможно выделение токсичного селеноводорода H₂Se. Хранить селениды индия следует в герметичной таре, в сухом помещении, вдали от кислот и окислителей.

Формы поставки селенида индия

Селениды индия поставляются в виде порошков, гранул и монокристаллов. Типичная чистота для электронной промышленности — 99,999 % (5N). Материал упаковывается в герметичную тару с инертной атмосферой для предотвращения окисления и контакта с влагой.

Селенид индия входит в группу полупроводниковых селенидов, востребованных в фотовольтаике и электронике. Исходным сырьём для синтеза селенидов служит металлический индий высокой чистоты.