Opdagelse af ikke-toksiske halvledere med et direkte båndgab i det nær-infrarøde

NIMS og Tokyo Institute of Technology har i fællesskab opdaget, at den kemiske forbindelse Ca ₃ SiO er en direkte overgangs halvleder, gør det til en potentielt lovende infrarød LED og infrarød detektorkomponent. Denne forbindelse - sammensat af calcium, silicium og ilt-er billig at producere og giftfri. Mange af de eksisterende infrarøde halvledere indeholder giftige kemiske elementer, såsom cadmium og tellur. Ca ₃ SiO kan bruges til at udvikle billigere og sikrere nær-infrarøde halvledere.

Infrarøde bølgelængder er blevet brugt til mange formål, herunder optisk fiberkommunikation, solcelleanlæg og nattesyn. Eksisterende halvledere, der er i stand til at udsende infrarød stråling (dvs. direkte overførsel halvledere) indeholder giftige kemiske forbindelser, såsom kviksølv cadmiumtellurid og galliumarsenid. Infrarøde halvledere fri for giftige kemiske grundstoffer er generelt ude af stand til at udsende infrarød stråling (dvs. indirekte overgangshalvledere). Det er ønskeligt at udvikle højtydende infrarøde enheder ved hjælp af giftfri, direkte overførsel halvledere med et båndgab i det infrarøde område.

Konventionelt, materialets halvledende egenskaber, såsom energibåndsgab, er blevet kontrolleret ved at kombinere to kemiske elementer, der er placeret på venstre og højre side af gruppe IV -elementer, såsom III og V eller II og VI. I denne konventionelle strategi, energibåndsgab bliver smallere ved at bruge tungere elementer:denne strategi har ført til udviklingen af ​​direkte overførsel halvledere sammensat af giftige elementer, såsom kviksølv cadmiumtellurid og galliumarsenid. For at opdage infrarøde halvledere fri for giftige elementer, denne forskergruppe havde en ukonventionel tilgang:de fokuserede på krystallinske strukturer, hvor siliciumatomer opfører sig som tetravalente anioner frem for deres normale tetravalente kationstilstand. Gruppen valgte i sidste ende oxysilicider (f.eks. Ca ₃ SiO) og oxygermanider med en invers perovskit krystallinsk struktur, syntetiserede dem, vurderet deres fysiske egenskaber og foretaget teoretiske beregninger. Disse processer afslørede, at disse forbindelser udviser et meget lille båndgab på cirka 0,9 eV ved en bølgelængde på 1,4 um, hvilket indikerer deres store potentiale for at fungere som direkte overgangs halvledere. Disse forbindelser med et lille direkte båndgab kan potentielt være effektive til at absorbere, detektering og udsendelse af lange infrarøde bølgelængder, selv når de behandles til tynde film, hvilket gør dem meget lovende nær-infrarøde halvledermaterialer til brug i infrarøde kilder (f.eks. LED'er) og detektorer.

I fremtidig forskning, vi planlægger at udvikle infrarøde lysdioder med høj intensitet og meget følsomme infrarøde detektorer ved at syntetisere disse forbindelser i form af store enkeltkrystaller, udvikle tyndfilmvækstprocesser og kontrollere deres fysiske egenskaber gennem doping og omdanne dem til faste løsninger. Hvis disse bestræbelser bærer frugt, giftige kemiske elementer, der i øjeblikket bruges i eksisterende nær-infrarøde halvledere, kan erstattes med ikke-toksiske.