麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們報(bào)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(xiàng)研究的首席研究員Rafael Jaramillo將這一壯舉稱為他的“白鯨”，因?yàn)樗嗄陙硪恢痹谧非筮@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(dǎo)體的高質(zhì)量薄膜的能力曾經(jīng)帶來了計(jì)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(shí)，只有當(dāng)能夠獲得最高質(zhì)量的材料時(shí)才能實(shí)現(xiàn)最重要的科學(xué)突破，“研究低質(zhì)量的材料往往會(huì)導(dǎo)致對其科學(xué)興趣和技術(shù)潛力的錯(cuò)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(jià)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(duì)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(shí)是一個(gè)材料家族，而不僅僅是一次性的，”Jaramillo說道。

這項(xiàng)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(jià)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(gè)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(gè)因素進(jìn)一步加劇了這項(xiàng)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(shè)備粘連。MBE需要在真空室中進(jìn)行，但Jaramillo回憶稱，當(dāng)時(shí)他們不被進(jìn)入真空室。

沒有參與這項(xiàng)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(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備制造如太陽能電池和綠色LED會(huì)是下一個(gè)對象。”

目前，Jaramillo的小組正專注于兩個(gè)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(shí)驗(yàn)室的唯一重點(diǎn)。“但這絕對是我們最自豪的項(xiàng)目，因?yàn)樗ㄙM(fèi)了最多的努力和最多的延遲滿足，”Jaramillo說道。

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