Рассмотрены свойства, методы синтеза, традиционные и новые применения антимонида индия; методом электрохимического синтеза из раствора солей сурьмы и индия получен и идентифицирована фаза кристаллического InSb.

Изготовление наноразмерных структур в настоящее время привлекает огромное внимание благодаря их потенциальному использованию для высокоплотной магнитной памяти, одноэлектронных приборов, наноэлектродов для прямого осаждения наночастиц из газовой фазы и оптических сред [1].

Рис. 1 – Схематическое изображение поперечного сечения Al₂О₃ анодного [3]

Заполнение диэлектрическими, металлическими и полупроводниковыми материалами диэлектрических матриц достаточно широко применяется для формирования различных наноструктур и является одной из разновидностей методов темплатного синтеза. Среди множества пористых материалов весьма перспективной матрицей является пористый анодный оксид алюминия (ПАОА), содержащий массив квазирегулярно расположенных вертикальных пор (рис. 1). Изготовление наноструктур на основе гексагонально-упорядоченного ПАОА в качестве маски или матричной структуры дешевле, чем изготовление подобных структур электронно-лучевой литографией [2]. Кроме того, возможность целенаправленного и воспроизводимого варьирования параметрами такой квазирегулярной ячеисто-пористой структуры в процессе формирования обусловливает пристальный интерес к этому материалу в связи с исключительными перспективами его использования в качестве диэлектрической матрицы (шаблона) для дальнейшего осаждения в неё материалов.

При использовании шаблонов из ПАОА для новых применений в наноструктурах, поры должны быть заполнены проводящим, полупроводящим, оптически активным или иным, необходимым нам, материалом, например, путём электрохимического осаждения. В противоположность другим методам осаждения, таким как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), во время электрохимического осаждения рост наностолбиков начинается на дне поры и продолжается по направлению от дна поры к её устью, а морфологическая структура ПАОА и электрические режимы задают геометрические параметры осаждаемых объектов. Свойства полученных наноструктур в значительной мере определяются их геометрией и зависят от природы осаждаемого в матрицу материала. Так, большой интерес представляет получение регулярных одно‑ двух‑ и трёхмерных наноструктурированных массивов и нанопроводов различных материалов, в том числе полупроводников группы А^IIIВ^V и, в частности, антимонида индия – InSb.

Рис. 2 – Трёхмерная модель кристаллической структуры InSb [4]

Антимонид индия – неорганическое бинарное химическое соединение индия и сурьмы, имеет вид тёмно-серого серебристого металла или порошка со стекловидным блеском [4, 5]. InSb имеет кубическую кристаллическую структуру сфалерита с постоянной решётки 0,647877 нм [6], трёхмерная структурная модель показана на рис. 2. Это соединение выделяется из всей группы полупроводников типа А^IIIВ^V своими уникальными свойствами. Антимонид индия является узкозонным прямозонным полупроводником [4] и имеет малую ширину запрещённой зоны E_g (0,2355 эВ при 0 К, 0,180 эВ при 298 К) [6], благодаря чему его электропроводность уже при температурах много ниже комнатной становится собственной. Энергия ионизации донорных примесей (S, Se,Te) очень мала. Вследствие малого значения E_g InSb относится к вырожденным полупроводникам, особенностью которых является слабая зависимость основных характеристик от температуры [7]. Обладая электронным типом проводимости, характеризуется самой высокой подвижностью носителей заряда (около 78000 см²/(В·с)), а также имеет самую большую длину свободного пробега электронов (до 0,7 мкм при 300 K) среди всех известных полупроводниковых материалов, за исключением, возможно, углеродных материалов (графен, углеродные нанотрубки) [4].

Традиционными способами антимонид индия получают сплавлением In со Sb в кварцевом контейнере в вакууме (~0,1 Па) при 800-850 °С. Очищают зонной плавкой в атмосфере водорода. Монокристаллы выращивают по методу Чохральского в атмосфере инертного газа (Ar, He, N₂) или Н₂ либо в вакууме (~ 50 кПа).   Эпитаксиальные плёнки получают: осаждением из раствора InSb в расплаве In при 350-450 °С; методом молекулярно-лучевой эпитаксии (реакцией молекулярных пучков In и Sb в вакууме 10^‑9 Па с последующим осаждением на нагретую до 400-500 °С подложку); методом вакуумного напыления (пары InSb в вакууме ~ 10^‑4 Па конденсируются на нагретой до 350-400 °С подложке из InSb) [6]; одним из способов получения является также химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлорганических соединений (анг. Metalorganic chemical vapour deposition, MOCVD) [4, 8]. Однако все эти способы малопригодны для возможных нанотехнологических применений. В ряде работ сообщается об успешном электрохимическом синтезе антимонида индия из различных электролитов и на катодах различной природы [9, 10]. Особенно привлекают внимание работы, посвящённые осаждению InSb в матрицу ПАОА, например [11, 12]. Следует отметить, что в случае катодного осаждения с использованием ПАОА в качестве шаблона процесс синтеза материала сопряжён с одновременным формированием объектов с заданными с помощью матрицы формой и размерами, а электрохимический синтез полупроводникового соединения протекает в мягких условиях, не требует вакуумирования и достаточно безопасен для окружающей среды.

Антимонид индия применяется для изготовления туннельных диодов: по сравнению с германиевыми диоды из InSb обладают лучшими частотными свойствам при низких температурах. Биполярные транзисторы, работающие на частотах до 85 ГГц, были созданы из антимонида индия в конце 1990‑х. Полевые транзисторы, работающие на частотах более чем в 200 ГГц, появились недавно (Intel/QinetiQ). Полупроводники из антимонида индия также способны работать при напряжении в 0,5 В, что снижает их энергопотребление [4]. Кроме того, антимонид индия используют для изготовления фотоэлементов высокой чувствительности – фотодиодов, фоторезисторов, датчиков Холла, оптических фильтров, термоэлектрических генераторов и холодильников [5, 6]. Электрохимический синтез антимонида индия позволяет формировать полевые нанотразисторы [10], фотонные кристаллы [13] и перспективен для создания других приборов, основанных на квантовых эффектах [11].

Рис. 3 – Оптическое изображение
поверхности образца с осаждённым InSb

Известно, что на стехиометрию осаждённого InSb влияет состав электролита, рН раствора и потенциал осаждения [13]. С целью отработки условий воспроизводимого синтеза нами была осуществлена серия экспериментов по катодному осаждению InSb на ситалловую подложку СТ‑50‑1 с предварительно нанесённым на неё слоем меди, а также в матрицу ПАОА с медными наностолбиками, заранее сформированными на дне пор. Электрические режимы задавали с помощью потенциостата П‑5827 М. Для регистрации электрических параметров осаждения служил цифровой вольтметр В7‑54/2, соединённый с компьютером GPIB интерфейсом посредством многофункциональной PCI карты фирмы National Instruments. Электрохимический синтез антимонида индия осуществляли при температуре 298±2 K в электролите следующего состава: 0,22 M SbCl₃, 0,22 M InCl₃, 0,80 M H₃C₆H₅O₇ (лимонная кислота) и 0,37 M Na₃C₆H₅O₇ (цитрат натрия) при pH = 2. Изображение поверхности осаждённого на медном подслое и высушенного на воздухе при комнатной температуре слоя антимонида индия, полученное с помощью микроскопа MICRO‑200 при увеличении 500×, показано на рис. 3. С помощью установки ДРОН‑3 М с использованием CuK_α излучения и графитового фильтра были получены рентгенодифракционные спектры образцов (рис. 4). Антимонид индия был идентифицирован с помощью базы данных International Centre for Diffraction Data 2002 г. (файл № 89‑3667). Совпадение положений пиков полученных нами образцов и эталона позволяет утверждать, что осаждённый нами антимонид индия обладает кубической решёткой с постоянной a = 6,479 Å. Полученные результаты и интерпретация рентгенодифракционных максимумов также хорошо согласуются с данными работ [10, 11, 13].

 

Рис. 4 – Рентгенограммы образцов:

а) с InSb, осаждённым на подслой меди;
б) с InSb, осаждённым в матрицу ПАОА;
в) фрагмента исходной ситалловой подложки
со слоем меди

Список использованных источников:

1. AlMawlawi, D. Magnetic properties of Fe deposited into anodic aluminum oxide pores as a function of particle size / D. AlMawlawi, N. Coombs, M. Moskovits // Journal of Applied Physics. – 1991. – Vol. 70, Iss. 8. – P. 4421-4425.

2. Nonlithographic Nano-Wire Arrays: Fabrication, Physics, and Device Applications / Dmitri Routkevitch [et al.] // IEEE Transactions on Electron Devices. – 1996. – Vol. 43, № 10. – P. 1646-1657.

3. Bohler, H. Organisch gefärbte anodisch erzeugte Oxidschichten / H. Bohler // Galvanotechnik. – 1991. – Bd. 82, № 9. – S. 3048-3052.

4. Антимонид индия // ВикипедиЯ. Свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Антимонид_индия. – Дата доступа: 09.04.2012.

5. ИНДИЯ АНТИМОНИД // АКАДЕМИК. Словари и энциклопедии на Академике. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/ИНДИЯ. – Дата доступа: 12.04.2012.

6. Мильвидский, М.В. Индия антимонид / М.В. Мильвидский // Химическая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1990. – Т. 2. – 671 с. – С. 452.

Авторы:

Сочнева Е. В.

Позняк А. А. – канд. физ.-мат. наук, доцент

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники.