近红外组件的新材料

Ca₃SiO显示出红外LED和红外探测器组件的前景

NIMS和东京工业大学共同发现，化合物Ca₃SiO是一种直接带隙半导体，使其成为有前途的红外LED和红外探测器组件。 该化合物生产成本低且无毒。 现有的许多红外半导体都包含有毒的化学元素，例如镉和碲。 Ca₃SiO可用于开发更便宜和更安全的近红外半导体。

传统上，材料的半导体性质（如带隙）是通过结合位于IV族元素左右两端的两种化学元素（如III和V或II和VI）来控制的。在这种传统策略中，通过使用较重的元素，带隙变得更窄：因此，这一步战略导致了由有毒元素（例如汞CdTe和GaAs）组成的直接带隙半导体的发展。

为了发现不含有毒元素的红外半导体，这个研究小组采取了一种非传统的方法：他们专注于硅原子作为四价阴离子而不是正常的四价阳离子状态的晶体结构。

该小组最终选择了具有逆钙钛矿晶体结构的氧化硅化物（例如Ca₃SiO）和氧化锗化物，合成了它们，评估了它们的物理性质并进行了理论计算。 这些过程表明，这些化合物在1.4μm的波长下表现出非常小的带隙（约0.9 eV），表明它们具有用作直接带隙半导体的巨大潜力。 这些具有小的直接带隙的化合物即使将它们加工成薄膜，也可能有效吸收，检测和发射长的红外波长，这使其成为非常有希望的近红外半导体材料，用于红外光源（如led）和探测器。

在未来的研究中，该团队计划通过以大单晶的形式合成这些化合物，开发薄膜生长工艺，并通过掺杂和将其转化为固溶体来控制其物理性能，从而开发高强度红外LED和高灵敏度红外探测器。如果这些努力取得成果，目前用于现有近红外半导体的有毒化学元素可能会被无毒元素所取代。

Naoki Ohashi等人的《作为无毒红外半导体候选材料的反钙钛矿氧硅化物和氧锗化物及其化学键接性质》；无机化学，美国化学学会杂志，2020年12月10日