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

 

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

 

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

 

傳統(tǒng)上，材料的半導體性質(zhì)(如能帶隙)是通過結合位于IV族元素左右兩側的2種化學元素(如III和V或II和VI)來控制的。在這種傳統(tǒng)策略中，通過使用較重的元素，能帶隙變得更窄：這這一思路帶來了有毒直接過渡半導體的發(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體，這個研究小組采取了一種非傳統(tǒng)的方法：他們專注于硅原子作為四價陰離子而不是正常的四價陽離子狀態(tài)的晶體結構。

 

該小組最終選擇了具有反鈣鈦礦晶體結構的氧硅化物(例如Ca3SiO)和氧鍺化物，合成了它們，評估了它們的物理性能并進行了理論計算。

 

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

 

譯/前瞻經(jīng)濟學人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