麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們報告稱，他們創(chuàng)造了一種新半導(dǎo)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將這一壯舉稱為他的“白鯨”，因為他多年來一直在追求這一壯舉，如果歷史重演它有可能影響多個技術(shù)領(lǐng)域。

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

Jaramillo指出，當(dāng)引入一種新材料時，只有當(dāng)能夠獲得最高質(zhì)量的材料時才能實現(xiàn)最重要的科學(xué)突破，“研究低質(zhì)量的材料往往會導(dǎo)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(dǎo)體家族即所謂的鹵化物鈣鈦礦(chalcogenide perovskites)，可以應(yīng)用于太陽能電池和照明。不過他指出，半導(dǎo)體研究的歷史表明，新半導(dǎo)體家族通常是以不可預(yù)測的方式啟用的。

由于新材料具備了超穩(wěn)定的能力且由廉價的無毒元素制成，Jaramillo對其所表現(xiàn)出來的潛力感到興奮。據(jù)悉，Jaramillo的團(tuán)隊創(chuàng)造的薄膜由鋇、鋯和硫組成，它具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，即典型的黃銅化物過氧化物。“你可以通過改變成分來做出變化。因此，它確實是一個材料家族，而不僅僅是一次性的，”Jaramillo說道。

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(jù)了解，Jaramillo及其同事使用一種叫做分子束外延(MBE)的技術(shù)來生長他們的高質(zhì)量薄膜。該技術(shù)允許對晶體生長進(jìn)行原子級的控制，不過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(dǎo)體技術(shù)的歷史表明了發(fā)展MBE的價值，“這就是它值得一試的原因。”

正如其名稱所暗示的那樣，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模板并讓它們在上面生長。“這就是為什么外延生長能給你提供最高質(zhì)量的薄膜。這些材料知道如何生長，”Jaramillo說道。

另一個因素進(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，它們會發(fā)臭且會讓設(shè)備粘連。MBE需要在真空室中進(jìn)行，但Jaramillo回憶稱，當(dāng)時他們不被進(jìn)入真空室。

沒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(jié)果，并且質(zhì)量非常好。我們可以預(yù)計，實現(xiàn)設(shè)備制造如太陽能電池和綠色LED會是下一個對象。”

目前，Jaramillo的小組正專注于兩個領(lǐng)域：探索基本問題以獲得對材料的更好理解、將它們整合到太陽能電池中。

雖然鹵化物鈣鈦礦并不是Jaramillo在MIT實驗室的唯一重點。“但這絕對是我們最自豪的項目，因為它花費(fèi)了最多的努力和最多的延遲滿足，”Jaramillo說道。

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