許多現(xiàn)有的紅外半導(dǎo)體都含有有毒的化學(xué)元素，比如鎘和碲。在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，化合物Ca3SiO是一種直接帶隙半導(dǎo)體，這種化合物由鈣、硅和氧組成，生產(chǎn)成本低，無(wú)毒，有潛力用于紅外LED和紅外探測(cè)器元件。

 

研究于去年12月10日發(fā)表在《無(wú)機(jī)化學(xué)》上，標(biāo)題為“Inverse Perovskite Oxysilicides and Oxygermanides as Candidates for Nontoxic Infrared Semiconductor and Their Chemical Bonding Nature”(作為無(wú)毒紅外半導(dǎo)體候選材料的反鈣鈦礦氧硅化物和氧鍺化物及其化學(xué)鍵性質(zhì))，通訊作者為日本國(guó)立材料科學(xué)研究所的Naoki Ohashi。

 

紅外電磁波有許多用途，比如光纖通信、光伏發(fā)電和夜視設(shè)備。但是，能夠發(fā)射紅外輻射的半導(dǎo)體(即直接過(guò)渡半導(dǎo)體，如碲化汞鎘和砷化鎵)，都含有有毒化合物。不含有毒化學(xué)元素的紅外半導(dǎo)體通常不能發(fā)射紅外輻射(即間接帶隙半導(dǎo)體)。

 

傳統(tǒng)上，材料的半導(dǎo)體性質(zhì)(如能帶隙)是通過(guò)結(jié)合位于IV族元素左右兩側(cè)的2種化學(xué)元素(如III和V或II和VI)來(lái)控制的。在這種傳統(tǒng)策略中，通過(guò)使用較重的元素，能帶隙變得更窄：這這一思路帶來(lái)了有毒直接過(guò)渡半導(dǎo)體的發(fā)展，如碲化汞鎘和砷化鎵。

 

為了發(fā)現(xiàn)不含有毒元素的紅外半導(dǎo)體，這個(gè)研究小組采取了一種非傳統(tǒng)的方法：他們專(zhuān)注于硅原子作為四價(jià)陰離子而不是正常的四價(jià)陽(yáng)離子狀態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)。

 

該小組最終選擇了具有反鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的氧硅化物(例如Ca3SiO)和氧鍺化物，合成了它們，評(píng)估了它們的物理性能并進(jìn)行了理論計(jì)算。

 

結(jié)果顯示，這些化合物有作為直接躍遷半導(dǎo)體的巨大潛力。這些具有小的直接帶隙的化合物可能在吸收、探測(cè)和發(fā)射長(zhǎng)的紅外波長(zhǎng)方面有效，甚至當(dāng)它們被加工成薄膜時(shí)，使它們成為非常有希望的近紅外半導(dǎo)體材料，用于紅外源和探測(cè)器。

 

譯/前瞻經(jīng)濟(jì)學(xué)人APP資訊組

 

參考資料：

 

【1】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.0c02897

 

【2】https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210323103829.htm