Wurtzite

La wurtzite è un minerale che prende il nome dal chimico francese Charles A. Wurtz costituito nella sua forma pura da solfuro di zinco. Tuttavia, poiché spesso contiene ferro in sostituzione dello zinco, la formula della wurtzite è indicata come (Zn,Fe)S.

La wurtzite è un minerale molto raro che si presenta di colore  da bruno-rossastro scuro a nero o marrone-arancio ed ha una durezza, nella scala di Mohs da 3.5 a 4. Pregevoli cristalli di wurtzite provengono dalle miniere boliviane di San José e di Siglo Veinte. Fanno parte del gruppo della wurtzite la cadmoselite costituita da seleniuro di cadmio CdSe, la greenockite costituita da solfuro di cadmio CdS, la mátraite ZnS e la rambergite MnS.

Il solfuro di zinco presenta dimorfismo infatti può presentarsi, a seconda della struttura, oltre che sotto forma di wurtzite, stabile a temperature superiori a 1020 °C, anche sotto forma di sfarelite detta anche blenda di zinco scoperta dal geologo tedesco Ernst Friedrich Glocker nel 1847.

Il nitruro di gallio può presentarsi sotto forma di entrambe strutture polimorfiche con band gap simili: sotto forma di wurtzite a 27 °C ha un band gap di 3.44-3.457 eV mentre sotto forma di sfarelite ha un band gap di 3.23-3.25 eV.

Struttura della wurtzite

La struttura della wurtzite è una struttura cristallina per vari composti binari come lo ioduro d’argento (AgI), l’ossido di zinco (ZnO), il solfuro di cadmio (CdS), il seleniuro di cadmio (CdSe), il carburo di silicio (α-SiC), il nitruro di gallio (GaN), il nitruro di alluminio (AlN) e il nitruro di boro (w-BN). Questa struttura appartiene a un sistema cristallino esagonale.

struttura
struttura

La struttura della wurtzite è costituita da due sottoreticoli esagonali compatti (HCP) compenetrati con costanti di reticolo a e c, ciascuno con un tipo di atomi, sfalsati lungo l’asse c di 5/8 dell’altezza della cella. Una  cella unitaria esagonale compatta è rappresentata da un atomo in ognuno dei 12 angoli di un prisma esagonale, 2 atomi sulla faccia superiore e inferiore e 3 atomi all’interno tra la faccia superiore e inferiore.

La struttura della wurtzite non è centrosimmetrica e non possiede un centro di inversione e quindi possiede polarità cristallografica per cui il piano (0001) è diverso dal piano (000-1), e questa caratteristica rende polari alcune direzioni cristallografiche, a seconda che siano presenti i cationi o gli anioni.

Molte caratteristiche come ad esempio l’epitassia, la generazione di difetti, la piezoelettricità e la possibilità di ottenere una grande varietà di nanostrutture dipendono dalla polarità cristallografica della wurtzite. La polarizzazione spontanea è causata da un’asimmetria dei legami atomici nella struttura reticolare della wurtzite, mentre la polarizzazione piezoelettrica è indotta dalla tensione dovuta al disadattamento reticolare nelle eterostrutture.

Esempi di composti con la struttura della wurtzite

Nitruro di alluminio

Il nitruro di alluminio (AlN) è un materiale ceramico che presenta buona conduttività termica, basse perdite dielettriche, basso consumo dielettrico, un coefficiente di dilatazione termica corrispondente a quello del silicio, insieme ad altre proprietà fisiche che rendono il nitruro di alluminio il materiale più interessante quale substrato per unità microelettroniche integrate.

nitruro di alluminio
nitruro di alluminio

Grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione alle alte temperature, il nitruro di alluminio viene utilizzato come materiale per crogioli per metalli fusi e, per le sue proprietà piezoelettriche, è usato per i sensori di onde acustiche superficiali, filtri nei sistemi di comunicazione, dispositivi medici a ultrasuoni, altoparlanti e sensori. Esso, infatti, ha la capacità di convertire la sollecitazione meccanica in un segnale elettrico, o viceversa.

Materiali ceramici al nitruro di alluminio possono essere utilizzati in tubi di protezione per termocoppie, parti isolanti ad alta temperatura e come ceramica strutturale resistente alle alte temperature e alla corrosione. Viene utilizzato come base per circuiti, substrato per semiconduttori o come dissipatore di calore nell’elettronica ad alta capacità o nelle tecnologie di illuminazione a LED.

Nitruro di gallio

Il nitruro di gallio è un semiconduttore III-V e ha una resistenza chimica molto elevata agli ambienti corrosivi grazie al forte legame esistente tra gallio e azoto. Unitamente al nitruro di alluminio e al nitruro di indio, il nitruro di gallio presenta elevatissima mobilità elettronica, elevato intervallo di band gap e biocompatibilità.

Blu ray Disc
Blu ray Disc

Il nitruro di gallio è emerso come uno dei materiali più attraenti per le tecnologie a radiofrequenza e di conversione di potenza che richiedono dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza. Ha trovato molte applicazioni nell’optoelettronica e una delle sue applicazioni più conosciute è il diodo laser viola basato su utilizzato per leggere i Blu ray Disc, supporti di memoria di tipo ottico in grado di memorizzare contenuti in Full HD e Ultra HD.

Sfruttando le proprietà ottiche e dielettriche ingegnerizzabili, le nanostrutture di nitruro di gallio sono utilizzate in un’ampia gamma di dispositivi come LED, diodi laser, biosensori, celle solari, transistor ad effetto di campo, fotocatalizzatori per la scissione dell’acqua e nanogeneratori piezoelettrici che trasformano il calore esterno in energia sfruttando materiali piroelettrici sensibili anche alla minima variazione di temperatura.

Fosfuro di indio

Il fosfuro di indio è un semiconduttore binario costituito da indio appartenente al gruppo 13 della Tavola Periodica e fosforo appartenente al gruppo 15 con formula InP. Appartiene al gruppo dei semiconduttori III-V, con una banda proibita elevata a temperatura ambiente. Questa band gap diretta consente la generazione e il rilevamento efficienti della luce nei dispositivi optoelettronici, rendendo il fosfuro di indio un materiale interessante per queste applicazioni.

fosfuro di indio
fosfuro di indio

Il fosfuro di indio esiste in due forme cristalline wurtzite (WZ) e blenda di zinco (ZB) con bande proibite dirette rispettivamente di 1.42 e 1.35 eV a temperatura ambiente ed è un materiale promettente per la costruzione di circuiti nanointegrati.

I diodi al fosfuro di indio stanno emergendo come materiale semiconduttore promettente per applicazioni optoelettroniche grazie alle loro proprietà uniche e ai potenziali vantaggi rispetto ai materiali tradizionali come l’arseniuro di gallio (GaAs) e il silicio. Il fosfuro di indio, infatti, ha una mobilità degli elettroni maggiore rispetto ai tradizionali arseniuro di gallio e silicio e ciò si traduce in un funzionamento più rapido del dispositivo e una maggiore efficienza.

Inoltre dimostra una stabilità termica migliore rispetto a GaAs, con conseguente miglioramento delle prestazioni del dispositivo alle alte temperature e una bassa perdita di assorbimento ottico nell’intervallo di lunghezze d’onda da 1.0 a 1.6 µm, rendendolo adatto per sistemi di comunicazione ottica a lunga lunghezza d’onda.

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