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산화 인듐(III)

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목차

1. 개요

산화 인듐(III)은 In₂O₃ 화학식을 갖는 무기 화합물이다. 결정 구조는 입방정 및 능면체 상으로 존재하며, 약 3 eV의 띠 간격을 갖는다. 크롬을 도핑한 박막은 고온 강자성을 나타내며, 아연을 도핑한 박막은 초전도성을 띤다. 수산화 인듐(III) 등을 가열하여 제조하며, 스퍼터 증착, 레이저 어블레이션, 졸-겔 공정 등을 통해 박막, 나노와이어 형태로 합성할 수 있다. 반도체 재료로 사용되며, 일부 배터리, 박막 적외선 반사경, 광학 코팅, 대전 방지 코팅 등에 활용된다. 이산화 주석과 결합하여 투명 전도성 코팅에 사용되는 산화 인듐 주석(ITO)을 형성한다. 한국에서는 디스플레이 및 태양 전지 분야에서 산화 인듐 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

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2. 물리적 성질

산화 인듐(III)은 노란색을 띠는 고체이다.

2. 1. 결정 구조

비정질 산화 인듐은 물에는 녹지 않지만 산에는 녹으며, 결정질 산화 인듐은 물과 산 모두에 녹지 않는다.[1] 결정질 형태는 입방정(바이즈비 광물형)[1]과 능면체(강옥형)의 두 가지 상으로 존재한다. 두 상 모두 약 3 eV의 띠 간격을 갖는다.[3][4]

능면체 상은 고온 및 고압 또는 비평형 성장 방법을 사용할 때 생성된다.[5] 공간군은 Rc No. 167, 피어슨 기호는 hR30, a = 0.5487 nm, b = 0.5487 nm, c = 1.4510 nm, Z = 6이며, 계산된 밀도는 7.31 g/cm3이다.[6]

2. 2. 전도성 및 자성

크롬을 도핑한 산화 인듐(In2−xCrxO3) 박막은 고온 강자성을 나타내는 자성 반도체이며, 단일 상 결정 구조와 높은 전하 운반자 농도를 가진 반도체 거동을 보인다.[7][24] 이는 스핀트로닉스에서 스핀 주입을 위한 재료로 적용될 수 있다.[7]

아연을 도핑한 산화 인듐의 얇은 다결정 박막은 전도성이 매우 높고(전도율 ~105 S/m) 심지어 액체 헬륨 온도에서 초전도성을 띤다.[8] 초전도 전이 온도 Tc는 도핑과 박막 구조에 따라 달라지며 3.3 K 이하이다.[8][25]

3. 합성

대량의 산화 인듐(III)은 수산화 인듐(III), 질산 인듐(III), 탄산 인듐(III) 또는 황산 인듐(III)을 가열하여 제조할 수 있다.[9][26]

산화 인듐(III) 박막은 아르곤/산소 분위기에서 인듐 표적을 스퍼터 증착하여 제조할 수 있다. 이는 반도체에서 확산 방지 ("배리어 메탈")로 사용될 수 있으며, 예를 들어 알루미늄과 실리콘 사이의 확산을 억제하는 데 사용될 수 있다.[10][27]

단결정 나노와이어는 레이저를 이용한 어블레이션을 통해 산화 인듐(III)으로부터 합성할 수 있으며, 직경은 최소 10 nm까지 제어할 수 있다. 이것들로 전계 효과 트랜지스터(FET)가 제작되었다.[11][28] 산화 인듐(III) 나노와이어는 민감하고 특정한 산화 환원 단백질 센서 역할을 할 수 있다.[12][29] 졸-겔법은 나노와이어를 준비하는 또 다른 방법이다.

산화 인듐(III)은 반도체 재료로 작용하여 p형 반도체인 InP, n형 반도체인 GaAs, n형 Si 및 기타 재료와 이종 접합을 형성할 수 있다. 실리콘 기판에 산화 인듐(III) 층은 삼염화 인듐 용액에서 증착할 수 있으며, 이는 태양 전지 제조에 유용한 방법이다.[13][30]

4. 반응

700 °C로 가열하면 산화 인듐(I)(In2O, 아산화 인듐이라고도 함)을 형성하고, 2000 °C에서 분해된다.[9] 산에는 녹지만 알칼리에는 녹지 않는다.[9]

고온에서 암모니아와 반응하면 질화 인듐이 생성된다.[14]

: In2O3 + 2 NH3 → 2 InN + 3 H2O

K2O와 인듐 금속을 사용하면 사면체 InO45− 이온을 포함하는 화합물 K5InO4가 제조되었다.[15]

다양한 금속 삼산화물과 반응하여 페로브스카이트를 생성한다.[16] 예를 들어:

:In2O3 + Cr2O3 → 2InCrO3

5. 응용

산화 인듐(III)은 일부 유형의 배터리, 박막 적외선 반사경(가시광선 투과, 핫 미러), 일부 광학 코팅 및 일부 대전 방지 코팅에 사용된다. 이산화 주석(또는 산화 주석(IV))과 결합하여 산화 인듐 주석(ITO)을 형성하며, 이는 투명 전도성 코팅에 사용되는 재료이다.

반도체에서 산화 인듐은 저항 소자로 사용되는 n형 반도체로 집적 회로에 사용될 수 있다.[17][34]

조직학에서 산화 인듐은 일부 염색 제형의 일부로 사용된다.

6. 한국에서의 연구 및 개발 동향

산화 인듐은 박막 적외선 반사경(가시광선 투과, 핫 미러), 일부 광학 코팅 및 일부 대전 방지 코팅에 사용된다. 이산화 주석과 결합한 산화 인듐은 산화 인듐 주석(주석 도핑 산화 인듐 또는 ITO)을 형성하며, 이는 투명 전도성 코팅에 사용되는 재료이다.[17]

참조

[1] 논문 Refinement of the crystal structure of In2O3 at two wavelengths
[2] 웹사이트 Indium oxide https://pubchem.ncbi[...]
[3] 논문 Nature of the Band Gap of In2O3 Revealed by First-Principles Calculations and X-Ray Spectroscopy http://people.bath.a[...] 2016-11-25
[4] 논문 Band gap, electronic structure, and surface electron accumulation of cubic and rhombohedral In2O3 http://pdfs.semantic[...]
[5] 서적 TMS 2011 140th Annual Meeting and Exhibition, General Paper Selections https://books.google[...] John Wiley and Sons 2011-04-06
[6] 논문 C rare earth oxide-corundum transition and crystal chemistry of oxides having the corundum structure
[7] 논문 New Material Puts Its Own Spin on Electronics https://news.mit.edu[...]
[8] 논문 Superconductivity in transparent zinc-doped In2O3 films having low carrier density
[9] 서적 Chemistry of aluminium, gallium, indium, and thallium Springer
[10] 논문 Indium oxide diffusion barriers for Al/Si metallizations
[11] 논문 Synthesis, Electronic Properties, and Applications of Indium Oxide Nanowires
[12] 웹사이트 Applying Indium Oxide Nanowires as Sensitive and Specific Redox Protein Sensors http://www.foresight[...] Foresight Nanotech Institute 2008-10-29
[13] 특허 Method for forming indium oxide/n-silicon heterojunction solar cells 1984
[14] 서적 Inorganic Chemistry Elsevier 2001
[15] 논문 Über "Orthoindate" der Alkalimetalle: Zur Kenntnis von K5[InO4]
[16] 논문 Synthesis of some new perovskites containing indium and thallium
[17] 웹사이트 In2O3 (Indium Oxide) http://www.ceramic-m[...] CeramicMaterials.info 2008-10-29
[18] 논문 Refinement of the crystal structure of In2O3 at two wavelengths
[19] 논문 C rare earth oxide-corundum transition and crystal chemistry of oxides having the corundum structure
[20] 웹사이트 Indium Oxide http://www.indium.co[...]
[21] 논문 Nature of the Band Gap of In2O3 Revealed by First-Principles Calculations and X-Ray Spectroscopy
[22] 논문 Band gap, electronic structure, and surface electron accumulation of cubic and rhombohedral In2O3
[23] 서적 TMS 2011 140th Annual Meeting and Exhibition, General Paper Selections https://books.google[...] John Wiley and Sons 2011-04-06
[24] 웹사이트 MIT Material Puts New Spin on Electronics http://www.hpcwire.c[...]
[25] 논문 Superconductivity in transparent zinc-doped In2O3films having low carrier density
[26] 서적 Chemistry of aluminium, gallium, indium, and thallium Springer
[27] 논문 Indium oxide diffusion barriers for Al/Si metallizations http://authors.libra[...]
[28] 논문 Synthesis, Electronic Properties, and Applications of Indium Oxide Nanowires
[29] 웹사이트 Applying Indium Oxide Nanowires as Sensitive and Specific Redox Protein Sensors http://www.foresight[...] Foresight Nanotech Institute 2008-10-29
[30] 웹사이트 Method for forming indium oxide/n-silicon heterojunction solar cells http://www.freepaten[...]
[31] 서적 Inorganic Chemistry Elsevier 2001
[32] 논문 Über "Orthoindate" der Alkalimetalle: Zur Kenntnis von K5[InO4]
[33] 논문 Synthesis of some new perovskites containing indium and thallium
[34] 웹사이트 In2O3 (Indium Oxide) http://www.ceramic-m[...] CeramicMaterials.info 2008-10-29
[35] 논문 Refinement of the crystal structure of In2O3 at two wavelengths


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