Трисульфид дииндия

Трисульфид дии́ндия — неорганическое соединение индия(III) с серой, химическая формула In₂S₃, CAS 12030-24-9. Традиционные синонимы: индий сернистый, сульфид индия(III). В зависимости от формы поставки выпускается в виде кристаллического порошка или кусков (пеллет) оранжево-красного и красно-коричневого цвета с характерным слабым запахом сероводорода.

Кристаллическая структура: полиморфизм In₂S₃

In₂S₃ существует в трёх полиморфных модификациях, устойчивых в разных температурных диапазонах. Это принципиально важно при выборе технологических режимов осаждения тонких плёнок и синтеза: условия получения определяют, какая модификация образуется и какими свойствами она обладает.

Модификация	Диапазон устойчивости	Тип кристаллической решётки	Особенности
α-In₂S₃	ниже ~420°C	Кубическая, дефектная шпинель (Fd3̄m)	1/3 тетраэдрических позиций вакантны, вакансии разупорядочены
β-In₂S₃	~420–740°C	Тетрагональная, дефектная шпинель	Вакансии упорядочены вдоль оси 4₁; термодинамически стабильна при нормальных условиях
γ-In₂S₃	выше ~740°C	Тригональная, слоистая	Нестабильна при охлаждении, широкая запрещённая зона (прямая)

β-In₂S₃ — промышленно значимая форма. При комнатной температуре именно она является термодинамически стабильной. Атомы In(III) занимают тетраэдрические и октаэдрические позиции в плотноупакованной сульфидной подрешётке; упорядоченный дефицит тетраэдрических позиций определяет электрические и оптические свойства соединения. Разупорядоченная кубическая субформа (C-In₂S₃) проявляет активность в фотокатализе, упорядоченная (T-In₂S₃) — нет.

Физические и полупроводниковые свойства

Параметр	Значение
Химическая формула	In₂S₃
Молярная масса	325,8 г/моль
Плотность (β-форма)	4,6–4,7 г/см³
Цвет (порошок)	Оранжево-красный, красно-коричневый
Температура плавления	~1090°C
Тип проводимости	n-тип
Ширина запрещённой зоны (β-форма, оптическая)	2,1–2,2 эВ

Ширина запрещённой зоны In₂S₃ регулируется в широких пределах в зависимости от метода и условий осаждения тонкой плёнки, а также от соотношения In:S в исходном материале. Это делает соединение технологически гибким полупроводником для фотовольтаических и оптоэлектронных применений.

Химическая устойчивость

Трисульфид дии́ндия химически инертен в нейтральных условиях. Не растворяется в воде, спиртах и большинстве органических растворителей, кристаллогидратов не образует. Взаимодействует с концентрированными неорганическими кислотами с разложением и выделением сероводорода (H₂S). В растворах солей индия(III) осаждается пропусканием H₂S при слабокислой реакции среды.

Требования безопасности при работе

Порошок β-In₂S₃ оказывает раздражающее действие на кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. При попадании внутрь — токсичен. Работа с порошком требует обязательного применения средств индивидуальной защиты: противоаэрозольного респиратора, защитных перчаток и герметичных очков. Не допускать вдыхания пыли. При контакте материала с концентрированными кислотами выделяется токсичный H₂S — работу проводить только в вытяжном шкафу.

Получение

Основной промышленный метод синтеза In₂S₃ — прямое высокотемпературное сплавление элементарного индия и серы в стехиометрическом соотношении 2:3 в атмосфере инертного газа или в запаянной вакуумированной ампуле при температуре выше точки плавления. Тонкие плёнки β-In₂S₃ для полупроводниковых применений получают методами химического газофазного осаждения (CVD), спрей-пиролиза растворов солей индия с органическими соединениями серы (тиомочевина и др.) на нагретые подложки, атомно-слоевого осаждения (ALD) и магнетронного распыления. Метод осаждения и соотношение компонентов газовой фазы определяют оптический зазор и электрические параметры получаемой плёнки.

Применение трисульфида дииндия

Буферный слой в тонкоплёночных солнечных элементах CIGS

Главное промышленное применение In₂S₃ — функциональный буферный слой в солнечных элементах на основе Cu(In,Ga)Se₂ (технология CIGS). β-In₂S₃ является прямым заменителем сульфида кадмия (CdS) в гетероструктурных ячейках: в отличие от CdS он экологически менее опасен и совместим с сухими вакуумными методами осаждения — CVD и магнетронным распылением, — исключающими применение кадмийсодержащих мокрых ванн. Эффективность солнечных элементов с буфером из In₂S₃ сопоставима с кадмий-содержащими аналогами.

Фотокатализ и фотоэлектрохимическое расщепление воды

Разупорядоченная кубическая субформа β-In₂S₃ (C-In₂S₃) активна в реакции фотокаталитического выделения H₂ в паре с металлическим кокатализатором. Пластины, функционализированные наночастицами In₂S₃, применяются в системах фотоэлектрохимического расщепления воды (PEC water splitting). Упорядоченная субформа (T-In₂S₃) в этих реакциях неактивна — разница определяется степенью упорядоченности катионных вакансий.

Оптоэлектроника и люминесцентные материалы

Нанокристаллы In₂S₃ люминесцируют в видимом диапазоне. Легирование нанокристаллов ионами тяжёлых металлов позволяет получить высокоэффективные синие, зелёные и красные люминофоры для проекторов и приборных дисплеев. β-In₂S₃ рассматривается как компонент гибридных структур совместно с TiO₂ для повышения КПД фотовольтаических систем.

Формы поставки

Трисульфид дии́ндия поставляется в форме кристаллического порошка или кусков (пеллет). Доступные степени чистоты: 4N (99,99%) и 5N (99,999% по металлической основе). Гранулометрический состав порошка и требуемая чистота согласовываются при оформлении заявки.

Смежные соединения индия с серой: сульфид индия (индий сернистый) и сульфид дии́ндия — также в каталоге.