Kristallstruktur av den inversa perovskiten Ca 3 SiO halvledare
NIMS och Tokyo Institute of Technology har gemensamt upptäckt att den kemiska föreningen Ca 3 SiO är en direktövergångshalvledare, vilket gör det till en potentiellt lovande infraröd LED och infraröd detektorkomponent. Denna förening - sammansatt av kalcium, kisel och syre-är billigt att producera och giftfritt. Många av de befintliga infraröda halvledarna innehåller giftiga kemiska element, såsom kadmium och tellur. Ca 3 SiO kan användas för att utveckla billigare och säkrare nära-infraröda halvledare.
Infraröda våglängder har använts för många ändamål, inklusive optisk fiberkommunikation, solcellsgenerering och mörkerseende. Befintliga halvledare som kan avge infraröd strålning (dvs. halvledare för direkta övergångar) innehåller giftiga kemiska föreningar, såsom kvicksilver kadmiumtellurid och galliumarsenid. Infraröda halvledare fria från giftiga kemiska element är i allmänhet oförmögna att avge infraröd strålning (dvs. indirekta övergångshalvledare). Det är önskvärt att utveckla högpresterande infraröda enheter med giftfria, direktövergångshalvledare med ett bandgap inom det infraröda området.
Konventionellt, de halvledande egenskaperna hos material, såsom energibandgap, har kontrollerats genom att kombinera två kemiska element som finns på vänster och höger sida av grupp IV -element, såsom III och V eller II och VI. I denna konventionella strategi, energibandgapet blir smalare genom att använda tyngre element:följaktligen denna strategi har lett till utvecklingen av direktövergångshalvledare som består av giftiga element, såsom kvicksilver kadmiumtellurid och galliumarsenid. För att upptäcka infraröda halvledare fria från giftiga element, denna forskargrupp tog ett okonventionellt förhållningssätt:de fokuserade på kristallina strukturer där kiselatomer beter sig som tetravalenta anjoner snarare än deras normala tetravalenta katjontillstånd. Gruppen valde slutligen oxysilicider (t.ex. Ca 3 SiO) och oxygermanider med en invers perovskit kristallin struktur, syntetiserade dem, utvärderade deras fysiska egenskaper och genomförde teoretiska beräkningar. Dessa processer avslöjade att dessa föreningar uppvisar ett mycket litet bandgap på cirka 0,9 eV vid en våglängd på 1,4 μm, vilket indikerar deras stora potential att fungera som halvledare för direkta övergångar. Dessa föreningar med ett litet direktbandgap kan potentiellt vara effektiva för att absorbera, upptäcka och avge långa infraröda våglängder även när de bearbetas till tunna filmer, vilket gör dem mycket lovande nära-infraröda halvledarmaterial som ska användas i infraröda källor (t.ex. Lysdioder) och detektorer.
I framtida forskning, vi planerar att utveckla högintensiva infraröda lysdioder och mycket känsliga infraröda detektorer genom att syntetisera dessa föreningar i form av stora enkristaller, utveckla tunnfilmstillväxtprocesser och kontrollera deras fysiska egenskaper genom dopning och omvandla dem till fasta lösningar. Om dessa ansträngningar bär frukt, giftiga kemiska element som för närvarande används i befintliga nära-infraröda halvledare kan ersättas med giftfria.
