Сульфид дииндия

Сульфид дииндия (трисульфид дииндия, индий сернистый) — бинарное неорганическое соединение индия с серой формулы In₂S₃. Индий в нём трёхвалентен (степень окисления +3), что отражено в систематическом названии «сульфид индия(III)». CAS: 12030-24-9. Вещество является полупроводником n-типа с широкой запрещённой зоной и представляет практический интерес прежде всего для тонкоплёночных полупроводниковых технологий.

Кристаллическая структура и полиморфизм In₂S₃

In₂S₃ существует в трёх полиморфных модификациях, стабильных в разных температурных диапазонах. Это принципиально важно при работе с материалом: фаза определяет оптические, электрические и фотоэлектрические свойства.

α-In₂S₃ — кубическая фаза

Низкотемпературная модификация с дефектной кубической структурой (пространственная группа Fd̅3m, параметр решётки a ≈ 10,72 Å). Внешне — жёлтый порошок. Нестабильна: при нагреве выше ~440°C необратимо переходит в β-фазу. Может присутствовать в продукте в зависимости от метода синтеза и условий охлаждения.

β-In₂S₃ — тетрагональная фаза (основная)

Наиболее стабильная и технически значимая форма при комнатной температуре. Дефектная шпинельная структура, тетрагональная сингония, пространственная группа I4₁/amd (№ 141), параметры решётки a ≈ 7,62 Å, c ≈ 32,36 Å. Ионы In³⁺ занимают тетраэдрические и октаэдрические позиции в анионной упаковке S²⁻; часть тетраэдрических позиций вакантна — отсюда «дефектная» структура. Внешне — оранжево-красный или красно-коричневый порошок. Именно β-фаза обеспечивает полупроводниковые свойства материала, применяемые в фотовольтаике и опто-электронике.

γ-In₂S₃ — слоистая высокотемпературная фаза

Формируется выше ~780°C. Слоистая тригональная структура, термодинамически нестабильна при охлаждении до комнатной температуры. Практического значения для большинства применений не имеет, но важно учитывать: нагрев β-In₂S₃ выше ~780°C в ходе технологических процессов приводит к фазовому переходу с изменением структуры и свойств.

Физические и химические свойства

Параметр	Значение
Химическая формула	In₂S₃
Молярная масса	325,83 г/моль
Плотность (β-фаза)	4,45 г/см³
Цвет (β-фаза)	Оранжево-красный, красно-коричневый
Цвет (α-фаза)	Жёлтый
Фазовый переход α → β	~440°C
Фазовый переход β → γ	~780°C
Температура плавления	~1050–1090°C
Тип проводимости	n-тип
Ширина запрещённой зоны β-фазы	~2,0–2,3 эВ (непрямая); ~2,5–2,7 эВ (прямая)
Растворимость в воде	Нерастворим
Гигроскопичность	Не гигроскопичен

Примечание по ширине запрещённой зоны: значения варьируются в зависимости от метода нанесения тонкой плёнки, степени кристалличности, условий отжига и стехиометрии. Для монокристаллов β-In₂S₃ прямой оптический переход находится на уровне ~2,03 эВ при комнатной температуре; для тонких плёнок диапазон шире — 2,0–2,75 эВ.

Химическое поведение

In₂S₃ химически устойчив в нейтральных и слабощелочных средах при комнатной температуре. При контакте с минеральными кислотами (HCl, H₂SO₄, HNO₃) разлагается с выделением сероводорода H₂S — реакцию необходимо проводить в вытяжном шкафу. Слегка растворяется в щелочных сульфидных растворах (Na₂S). С водой не реагирует, кристаллогидраты не образует.

Материал не реагирует с большинством органических растворителей. При нагреве в присутствии кислорода выше ~400°C начинается окисление с образованием оксида индия In₂O₃.

Меры безопасности и условия хранения

β-In₂S₃ в порошкообразной форме раздражает кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательные пути при вдыхании пыли. Токсичен при проглатывании. Работа с порошком — в средствах защиты органов дыхания (полумаска с фильтром FFP2/FFP3), защитных очках и перчатках. При разложении кислотами или нагреве с доступом кислорода выделяет SO₂ и H₂S — оба газа токсичны, необходима приточно-вытяжная вентиляция.

Хранить в герметичной таре в сухом помещении при комнатной температуре, вдали от кислот и источников тепла. Специальных условий по пожарной безопасности не требует — вещество не горючо.

Применение сульфида дииндия

Буферный слой в тонкоплёночных солнечных элементах

Основное технологическое применение β-In₂S₃ — буферный слой в гетероструктурных солнечных элементах на основе халькопиритных поглощающих слоёв типа Cu(In,Ga)(S,Se)₂ (CIGS/CIGSS). Ширина запрещённой зоны ~2,0–2,7 эВ обеспечивает хорошее согласование зон с поглощающим слоем; при этом In₂S₃ малотоксичен и допускает нанесение различными методами осаждения тонких плёнок: химическим осаждением из паровой фазы (CVD), атомно-слоевым осаждением (ALD), химическим осаждением из ванны (CBD), пиролизом аэрозоля, магнетронным распылением. Это делает его технологически универсальной альтернативой токсичному CdS.

Фотокатализ

Дефектная структура β-In₂S₃ с вакансиями в катионной подрешётке создаёт возможность для фотокаталитических реакций. Материал исследуется для фотокаталитического разложения воды с выделением молекулярного водорода H₂ в присутствии кофотокатализатора (благородные металлы или их оксиды). При этом активна неупорядоченная (C-) разновидность β-In₂S₃ — упорядоченная (T-) разновидность фотокаталитической активностью в этой реакции не обладает.

Фотоэлектрохимические ячейки и фотодетекторы

Благодаря высокой фотопроводимости и фотолюминесценции In₂S₃ применяется в фотоэлектрохимических ячейках для прямого преобразования солнечной энергии, а также в конструкциях фотодетекторов видимого и ближнего УФ-диапазона. Нанокристаллы In₂S₃ люминесцируют в видимом диапазоне; при легировании ионами тяжёлых металлов на их основе получают фосфоресцентные люминофоры синего, зелёного и красного свечения.

Чистота и формы поставки

Сульфид дииндия In₂S₃ для полупроводниковых применений поставляется в двух основных квалификациях чистоты:

Квалификация	Чистота	Форма
4N	99,99%	Порошок, прессованные таблетки (пеллеты)
5N	99,999%	Порошок, прессованные таблетки (пеллеты)

Гранулометрия порошка — по запросу (типично -200 меш и крупнее). Таблетки (пеллеты) применяются при физическом осаждении тонких плёнок (термическое испарение, электронно-лучевое испарение). Для процессов атомно-слоевого осаждения (ALD) и CVD используются специальные органо-индиевые прекурсоры, а не порошок In₂S₃ напрямую.

Узнать о наличии, минимальной партии и условиях поставки In₂S₃ можно через форму заявки на сайте. Для подбора формы и чистоты под конкретный технологический процесс — укажите метод нанесения и требования к параметрам плёнки.

См. также: металлический индий Ин00 — исходное сырьё для синтеза соединений индия; индий сернистый (сульфид индия) — родственный материал в каталоге.