Arseniuro di gallio

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Abbozzo elettronica
Arseniuro di gallio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareGaAs
Massa molecolare (u)144,645
Numero CAS1303-00-0
Numero EINECS215-114-8
PubChem14770 e 25032019
SMILES
[Ga]#[As]
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)5,316 g/cm³
Temperatura di fusione1238 °C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
tossicità acuta pericoloso per l'ambiente
pericolo
Frasi H301 - 331 - 410
Consigli P261 - 301+310 - 304+340 - 321 - 405 - 501 [1][2]
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L'arseniuro di gallio è il composto binario covalente formato dal gallio con l'arsenico.[3] È un composto non molecolare avente formula minima GaAs, dove sia il gallio che l'arsenico sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici. L'arseniuro di gallio è un tipico semiconduttore del tipo III-V.[4] Si presenta come un materiale cristallino di media durezza, 4,5 sulla scala di Mohs,[5] sensibilmente meno del germanio (6,0) o del silicio (6,5),[6] avente la struttura cubica della sfalerite (ZnS).[7] Il cristallo di GaAs è strettamente isoelettronico a quello di germanio ed anche ad esso isostrutturale; ne differisce per il valore del band gap, che è circa il doppio, e per il fatto che esso è di tipo diretto,[8] caratteristica di primaria importanza in applicazioni di optoelettronica.[9]

Per queste caratteristiche e per essere caratterizzato da un'alta mobilità elettrica dei portatori liberi di carica (elettroni e lacune), trova applicazioni nei dispositivi elettronici ad alta velocità e nei dispositivi emettitori di luce (componenti per microonde, diodi LED e laser, componenti per lettori DVD e per radar automobilistici), nonché nelle celle fotovoltaiche.[10]

Proprietà e struttura

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L'arseniuro di gallio è un composto termodinamicamente stabile, la sua formazione dagli elementi è esotermica, anche se non di molto: ΔHƒ° = −87,7±0,5 kJ/mol.[11]

L'arseniuro di gallio GaAs è formato dall'unione 1:1 di gallio, avente 3 elettroni esterni (4s2 4p1), con l'arsenico con 5 elettroni esterni (4s2 4p3), a formare un cristallo in cui vi sono 8 elettroni di valenza per ogni coppia di atomi Ga e As, come accade per i cristalli isoelettronici di valenza di Ge, Si e C(diamante).[7][12] La struttura cristallina cubica, analoga a quella del germanio, è composta da due sottoreticoli cubici a facce centrate, uno composto di atomi Ga e l'altro di As (entrambi gli atomi ibridati sp3), che sono sovrapposti con uno sfasamento di un quarto di diagonale.[13] In tale struttura il lato della cella elementare cubica è a = 565,3 pm e la lunghezza dei legami Ga−As è di 245 pm.[14][15]

Questa è la fase stabile di GaAs in condizioni ambiente, presente anche nel fosfuro di gallio, analogo semiconduttore III-V; tuttavia, per temperature di almeno 200 °C, diviene stabile una fase avente una struttura esagonale del tipo della wurtzite,[16] che è l'altra struttura tipica dei semiconduttori III-V, struttura preferita dal nitruro di gallio[17] e dal nitruro di alluminio.[18]

A temperatura e pressione ambiente si presenta in forma di cristalli opachi di colore grigiastro, praticamente insolubili in acqua, alcool, o acetone, ma che si disciolgono in acidi minerali decomponendosi.[19]

Il band gap diretto di GaAs ammonta a 1,424 eV a 300 K[20] ed è maggiore, oltre che di quello del germanio (0,67 eV), anche di quello del silicio (1,1 eV); può essere confrontato inoltre con i corrispondenti valori di GaP (2,24 eV) e GaN (3,4 eV), i quali crescono man mano che il componente a 5 elettroni esterni diminuisce di numero atomico, aumentando quindi la sua elettronegatività.

Sintesi del composto

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Il composto può essere sintetizzato in forma di monocristallo, allo scopo di produrre dei wafer, o come film sottile.

Per produrre l'arseniuro di gallio in forma monocristallina è possibile usare il processo Czochralski[21], largamente utilizzato per produrre il silicio monocristallino. Un'altra possibilità è il metodo Bridgman-Stockbarger in cui la crescita del cristallo avviene all'interno di una fornace orizzontale, in cui vengono fatti reagire vapori di gallio e arsenico e il composto si deposita su un seme monocristallino.

Anche per produrre un film sottile esistono diverse possibilità:

Note

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  1. ^ scheda della sostanza su IFA-GESTIS (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).
  2. ^ Smaltire in accordo alle leggi vigenti.
  3. ^ Egon Wiberg, Nils Wiberg e A. F. Holleman, Anorganische Chemie, 103. Auflage, De Gruyter, 2017, p. 1404, ISBN 978-3-11-026932-1, OCLC 970042787. URL consultato il 12 giugno 2024.
  4. ^ (EN) Fundamentals of Semiconductors, DOI:10.1007/978-3-642-00710-1. URL consultato l'11 giugno 2024.
  5. ^ Gallium Arsenide (GaAs) - Mateck, su mateck.com. URL consultato il 12 giugno 2024.
  6. ^ Gregory V. Samsonov, Handbook of the Physicochemical Properties of the Elements, ISBN 978-1-4684-6066-7.
  7. ^ a b N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, pp. 255-256, ISBN 0-7506-3365-4.
  8. ^ Lecture 2: Electrons in semiconductors I (PDF), su The University of Liverpool, pp. 15-19.
  9. ^ (EN) Elton Ogoshi, Mário Popolin-Neto e Carlos Mera Acosta, Learning from machine learning: the case of band-gap directness in semiconductors, in Discover Materials, vol. 4, n. 1, 29 febbraio 2024, DOI:10.1007/s43939-024-00073-x. URL consultato il 12 giugno 2024.
  10. ^ (EN) What Are the Applications of Gallium Arsenide Semiconductors? | Wafer World, su waferworld.com. URL consultato il 12 giugno 2024.
  11. ^ Katsunori Yamaguchi, Yoichi Takeda e Kazuo Kameda, Measurements of Heat of Formation of GaP, InP, GaAs, InAs, GaSb and InSb, in Materials Transactions, JIM, vol. 35, n. 9, 1994, pp. 596–602, DOI:10.2320/matertrans1989.35.596. URL consultato il 12 giugno 2024.
  12. ^ J. E. House e Kathleen Ann House, Descriptive inorganic chemistry, Third edition, Elsevier/AP, Academic Press is an imprint of Elsevier, 2016, pp. 157-158, ISBN 978-0-12-804697-5, OCLC 927364318. URL consultato il 12 giugno 2024.
  13. ^ K Hjort, J Soderkvist e J -A Schweitz, Gallium arsenide as a mechanical material, in Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 4, n. 1, 1º marzo 1994, pp. 1–13, DOI:10.1088/0960-1317/4/1/001. URL consultato il 12 giugno 2024.
  14. ^ R.M. Feenstra e Joseph A. Stroscio, 5.3. Gallium Arsenide, Elsevier, 1993, pp. 251–276, DOI:10.1016/s0076-695x(08)60012-5. URL consultato il 12 giugno 2024.
  15. ^ (EN) I. Uschmann, T. Kämpfer e F. Zamponi, Investigation of fast processes in condensed matter by time-resolved x-ray diffraction, in Applied Physics A, vol. 96, n. 1, 1º luglio 2009, pp. 91–98, DOI:10.1007/s00339-009-5187-1. URL consultato il 12 giugno 2024.
  16. ^ (EN) M. I. McMahon e R. J. Nelmes, Observation of a Wurtzite Form of Gallium Arsenide, in Physical Review Letters, vol. 95, n. 21, 16 novembre 2005, DOI:10.1103/PhysRevLett.95.215505. URL consultato il 12 giugno 2024.
  17. ^ (EN) Hongbo Qin, Xinghe Luan e Chuang Feng, Mechanical, Thermodynamic and Electronic Properties of Wurtzite and Zinc-Blende GaN Crystals, in Materials, vol. 10, n. 12, 2017-12, pp. 1419, DOI:10.3390/ma10121419. URL consultato il 12 giugno 2024.
  18. ^ mp-661: AlN (Hexagonal, P6_3mc, 186), su Materials Project. URL consultato l'11 giugno 2024.
  19. ^ Properties of gallium arsenide, collana EMIS datareviews series, 3rd ed, INSPEC - The Institution of Electrical Engineers, 1996, ISBN 978-0-85296-885-7.
  20. ^ Peter A. Iles, Photovoltaic Conversion: Space Applications, Elsevier, 1º gennaio 2004, pp. 25–33, DOI:10.1016/b0-12-176480-x/00332-6, ISBN 978-0-12-176480-7. URL consultato il 12 giugno 2024.
  21. ^ Lesley Smart e Elaine A. Moore, Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press, 2005, p.  173., ISBN 978-0-7487-7516-3.
  22. ^ Lesley Smart e Elaine A. Moore, Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press, 2005, pp.  167.-168, ISBN 978-0-7487-7516-3.
  23. ^ Lesley Smart e Elaine A. Moore, Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press, 2005, p.  170., ISBN 978-0-7487-7516-3.

Voci correlate

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