MIT工程師在創(chuàng )建新半導體材料工作上取得重大進(jìn)展

麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們報告稱(chēng)，他們創(chuàng )造了一種新半導體材料系列的第一批高質(zhì)量薄膜。該項研究的首席研究員Rafael Jaramillo將這一壯舉稱(chēng)為他的“白鯨”，因為他多年來(lái)一直在追求這一壯舉，如果歷史重演它有可能影響多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。

創(chuàng )造其他系列半導體的高質(zhì)量薄膜的能力曾經(jīng)帶來(lái)了計算機、太陽(yáng)能電池、夜視相機等的出現。

Jaramillo指出，當引入一種新材料時(shí)，只有當能夠獲得最高質(zhì)量的材料時(shí)才能實(shí)現最重要的科學(xué)突破，“研究低質(zhì)量的材料往往會(huì )導致對其科學(xué)興趣和技術(shù)潛力的錯誤否定”。

另外他表示，這種新半導體家族即所謂的鹵化物鈣鈦礦(chalcogenide perovskites)，可以應用于太陽(yáng)能電池和照明。不過(guò)他指出，半導體研究的歷史表明，新半導體家族通常是以不可預測的方式啟用的。

由于新材料具備了超穩定的能力且由廉價(jià)的無(wú)毒元素制成，Jaramillo對其所表現出來(lái)的潛力感到興奮。據悉，Jaramillo的團隊創(chuàng )造的薄膜由鋇、鋯和硫組成，它具有特定的晶體結構，即典型的黃銅化物過(guò)氧化物?！澳憧梢酝ㄟ^(guò)改變成分來(lái)做出變化。因此，它確實(shí)是一個(gè)材料家族，而不僅僅是一次性的，”Jaramillo說(shuō)道。

這項工作已經(jīng)發(fā)表在2021年11月3日的《Advanced Functional Materials》上。Jaramillo的共同作者還有材料科學(xué)與工程系 (DMSE) 的博士后、論文的第一作者Ida Sadeghi、DMSE研究生Kevin Ye、Michael Xu和Yifei Li、MIT材料科學(xué)與工程系John Chipman副教授James M. LeBeau。

據了解，Jaramillo及其同事使用一種叫做分子束外延(MBE)的技術(shù)來(lái)生長(cháng)他們的高質(zhì)量薄膜。該技術(shù)允許對晶體生長(cháng)進(jìn)行原子級的控制，不過(guò)這很難做到并且不能保證新材料的成功。Jaramillo指出，盡管如此，半導體技術(shù)的歷史表明了發(fā)展MBE的價(jià)值，“這就是它值得一試的原因?！?/p>

正如其名稱(chēng)所暗示的那樣，MBE本質(zhì)上是將分子束指向表面上原子的特定排列。原子的這種排列方式為射出的分子提供了一個(gè)模板并讓它們在上面生長(cháng)?！斑@就是為什么外延生長(cháng)能給你提供最高質(zhì)量的薄膜。這些材料知道如何生長(cháng)，”Jaramillo說(shuō)道。

另一個(gè)因素進(jìn)一步加劇了這項工作的難度。Jaramillo指出，制造該種化學(xué)品非常不好有，它們會(huì )發(fā)臭且會(huì )讓設備粘連。MBE需要在真空室中進(jìn)行，但Jaramillo回憶稱(chēng)，當時(shí)他們不被進(jìn)入真空室。

沒(méi)有參與這項研究工作的東京工業(yè)大學(xué)教授Hideo Hosono則表示：“（由Jaramillo等人創(chuàng )造的）薄膜顯示出鏡面平滑的圖像，這是原子平坦的表面的結果，并且質(zhì)量非常好。我們可以預計，實(shí)現設備制造如太陽(yáng)能電池和綠色LED會(huì )是下一個(gè)對象?！?/p>

目前，Jaramillo的小組正專(zhuān)注于兩個(gè)領(lǐng)域：探索基本問(wèn)題以獲得對材料的更好理解、將它們整合到太陽(yáng)能電池中。雖然鹵化物鈣鈦礦并不是Jaramillo在MIT實(shí)驗室的唯一重點(diǎn)?！暗@絕對是我們最自豪的項目，因為它花費了最多的努力和最多的延遲滿(mǎn)足，”Jaramillo說(shuō)道。