I-III-VI半導体

I-III-VI ₂半導体は、周期表のI、III、VI グループ(IUPAC グループ 1/11、13、16)に属する3 つ以上の化学元素を含む固体半導体材料です。通常、2 種類の金属と 1 種類のカルコゲンが含まれます。これらの材料の一部は、約 1.5 eV の直接バンドギャップE g_を持ち、太陽光を効率的に吸収するため、太陽電池の材料として適しています。^[1]太陽電池の効率が最大になるようにバンドギャップを調整するため、I-III-VI ₂材料に 4 番目の元素が追加されることがよくあります。代表的な例は、銅インジウムガリウムセレン化物(CuIn _x Ga _{(1– x )} Se ₂、x = 0–1の場合E _g = 1.7–1.0 eV ^{[2] ) で、}銅インジウムガリウムセレン化物太陽電池に使用されています。

CuGaO ₂には、α と β という 2 つの主な多形があります。α 形はデラフォサイト結晶構造を持ち、高温でCu ₂ OとGa ₂ O ₃を反応させることで生成できます。β 形はウルツ鉱のような結晶構造 (空間群Pna2 ₁ ) を持ち、準安定ですが、300 °C 未満の温度で長期安定性を示します。[ ^{4] Cu +}からCu ^2+への酸化を避けるために、真空下でβ-NaGaO ₂前駆体の Na ⁺イオンをCuCl中の Cu ⁺イオンとイオン交換することで得られます。^[3]

2 eV以上のバンドギャップを持つ透明な電気絶縁固体であるほとんどのI-III-VI ₂ 酸化物とは異なり、β-CuGaO _2は1.47 eVの直接バンドギャップを持ち、太陽電池用途に適しています。対照的に、β-AgGaO ₂とβ-AgAlO ₂は間接バンドギャップを持っています。ドープされていないβ-CuGaO _2はp型半導体です。^[3]

_{CuGaO 2}と同様に、α-AgGaO ₂と α-AgAlO _2はデラフォサイト結晶構造を持ち、対応するβ相の構造はウルツ鉱（空間群Pna2a）に似ています。β-AgGaO _{2は準安定であり、β-NaGaO 2}前駆体とのイオン交換によって合成できます。β-AgGaO ₂と β-AgAlO ₂のバンドギャップ（それぞれ2.2 eVと2.8 eV）は間接的で、可視領域にあり、 ZnOとの合金化によって調整できます。このため、両方の材料は太陽電池にはほとんど適していませんが、光触媒への応用の可能性を秘めています。^[3]

_{LiGaO 2}とは異なり、AgGaO _{2 はAg} ^+が金属銀に還元されるため、混合物を加熱してもZnOと合金化することはできない。そのため、代わりにAgGaO _{2とZnOターゲットの}マグネトロンスパッタリングが使用される。^[3]

_{β-LiGaO 2}の純粋な単結晶は、数インチの長さで、チョクラルスキー法で成長させることができます。その劈開面の格子定数は ZnO やGaNの格子定数と一致するため、これらの材料の薄膜のエピタキシャル成長に適しています。β-LiGaO _2は非線形光学材料として有望ですが、その直接バンドギャップは 5.6 eV と可視光用途には広すぎます。β-LiGaO _{2 をZnO と合金化することで、3.2 eV まで下げることができます。ZnO と β-LiGaO 2 は}混合せず、その比率が約 0.2 ～ 1 のときにZn ₂ LiGaO ₄相を形成するため、バンドギャップの調整は不連続です。 ^[3]

最大 5 mm の大きさのLiGaTe ₂結晶は、3 段階で成長させることができます。まず、Li、Ga、および Te 元素を真空石英アンプルで 1250 K で 24 時間溶融します。この段階で、Li はアンプルの壁と反応して熱を放出し、部分的に消費されます。第 2 段階では、溶融物は密閉された石英アンプルで均質化されます。アンプルの内側は熱分解炭素でコーティングされており、Li の反応性が低下します。均質化温度は、LiGaTe _{2の融点より約 50 K 高い温度に設定されます。次に、2 ゾーン炉で}ブリッジマン ストックバーガー法によって均質化された溶融物から結晶が成長します。結晶化開始時の温度は、LiGaTe ₂の融点より数度低いです。アンプルは、20 日間、2.5 mm/日の速度で冷却ゾーンに移動します。^[5]

• mは準安定、dは直接、iは間接バンドギャップを表す。

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