近日,荷蘭特文特大學科學家開發(fā)出一種新工藝,能在室溫下制造出晶體結構高度有序的半導體材料。他們表示,通過精準控制這種半導體材料的晶體結構,大幅降低了內部納米級缺陷的數(shù)量,可顯著提升光電子學效率,進而促進新型太陽能電池和電子產品的發(fā)展。相關論文發(fā)表于最新一期《自然·合成》雜志。
研究示意圖。來源:《自然·合成學》雜志
這種新材料屬于金屬鹵化物鈣鈦礦材料家族。這類材料因能高效吸收太陽光,而被廣泛應用于發(fā)光二極管、半導體和太陽能電池等設備中。然而,迄今研制出的金屬鹵化物鈣鈦礦大多是晶體結構無序材料。材料中的分子會朝向多個不同的方向,并擁有不同的結構。對于創(chuàng)建高效可靠的設備而言,擁有完美有序晶體結構至關重要。但要制造出高度有序的金屬鹵化物鈣鈦礦材料,則需要較高的加工溫度,這無疑是一大挑戰(zhàn)。
在最新研究中,科學家使用脈沖激光,在室溫下逐層構建出了這種新材料。新材料可在300多天內保持性能穩(wěn)定,為太陽能電池板和先進電子產品等應用帶來了巨大潛力。這項創(chuàng)新成果不僅有助于科學家們開發(fā)出更環(huán)保、更具成本效益的技術,也為材料領域的新突破奠定了堅實基礎。
有序半導體材料是一類在原子、分子或納米尺度上具有特定規(guī)則排列結構的半導體材料,這種有序結構對材料的物理和化學性質產生重要影響,使其在電子學、光學等領域具有獨特的應用價值。
關于它的結構特點:
原子排列有序:原子在空間上按照一定的規(guī)律周期性重復排列,形成晶體結構。如常見的硅、鍺等半導體,它們的原子以金剛石結構或閃鋅礦結構等高度有序的方式排列,這種有序排列使得電子在其中的運動具有一定的規(guī)律性,有利于電子的傳導和半導體器件的性能穩(wěn)定。
分子有序組裝:對于一些有機半導體材料,分子通過特定的相互作用,如 π-π 堆積、氫鍵、范德華力等,形成有序的分子排列。比如一些共軛聚合物分子,它們可以在溶液或固態(tài)中自組裝成具有一定取向和排列方式的結構,從而表現(xiàn)出獨特的電學和光學性質。
納米結構有序:通過納米加工技術或自組裝方法,可將半導體材料制成具有有序納米結構的材料,如量子點、納米線、納米管等。這些納米結構在尺寸、形狀和空間分布上具有高度的有序性,由于量子限域效應等,使其具有與體材料不同的物理性質,為半導體器件的微型化和高性能化提供了可能。有序的結構減少了電子散射的概率,使得載流子(電子和空穴)在材料中能夠更高效地傳輸,從而提高了半導體材料的電導率和遷移率。這對于提高半導體器件的運行速度和降低功耗非常重要,例如在高速集成電路中,可實現(xiàn)更快的信號傳輸和處理。另外,有序半導體材料的能帶結構和電子態(tài)密度分布較為規(guī)則,使其在光學吸收、發(fā)射等方面表現(xiàn)出獨特的性質。比如一些量子點材料,由于其尺寸和結構的有序性,能夠實現(xiàn)精確的發(fā)光波長調控,可應用于顯示、照明、生物成像等領域。
據(jù)悉,作為制造晶體管、二極管等基本元件的關鍵材料,有序半導體材料的高性能有助于提高集成電路的集成度和運行速度,推動芯片技術的不斷發(fā)展,從傳統(tǒng)的硅基集成電路到新興的二維材料集成電路,都離不開有序半導體材料的支撐。
此外,在光電器件中,如發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)、太陽能電池等,有序半導體材料可以通過精確控制其結構和組成,實現(xiàn)高效的光電轉換和光發(fā)射,在照明、通信、能源等領域有著廣泛的應用。
利用有序半導體材料對特定氣體、離子、生物分子等的敏感特性,還可制備出高靈敏度、高選擇性的傳感器,用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測、食品安全檢測等領域。
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原文標題:行業(yè)資訊 | 一種新工藝,可在室溫下造出半導體材料
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