NIMS en het Tokyo Institute of Technology hebben gezamenlijk ontdekt dat de chemische verbinding Ca₃SiO is een halfgeleider met directe overgang, waardoor het een potentieel veelbelovend onderdeel van infrarood-LED's en infrarooddetectoren is. Deze verbinding, bestaande uit calcium, silicium en zuurstof, is goedkoop te produceren en niet giftig. Veel van de bestaande infraroodhalfgeleiders bevatten giftige chemische elementen, zoals cadmium en tellurium. Ca₃SiO kan worden gebruikt om goedkopere en veiligere nabij-infraroodhalfgeleiders te ontwikkelen.

Infraroodgolflengten zijn voor vele doeleinden gebruikt, waaronder optische vezelcommunicatie, fotovoltaïsche energieopwekking en nachtkijkers. Bestaande halfgeleiders die infraroodstraling kunnen uitzenden (dwz halfgeleiders met directe overgang) bevatten giftige chemische verbindingen, zoals kwikcadmiumtelluride en galliumarsenide. Infraroodhalfgeleiders die vrij zijn van giftige chemische elementen zijn over het algemeen niet in staat infraroodstraling uit te zenden (dwz indirecte overgangshalfgeleiders). Het is wenselijk om hoogwaardige infraroodapparaten te ontwikkelen die gebruik maken van niet-giftige halfgeleiders met directe overgang en een bandafstand in het infraroodbereik.

Conventioneel worden de halfgeleidende eigenschappen van materialen, zoals de energiebandafstand, gecontroleerd door het combineren van twee chemische elementen die zich aan de linker- en rechterkant van elementen uit groep IV bevinden, zoals III en V of II en VI. In deze conventionele strategie wordt de energiebandafstand smaller door zwaardere elementen te gebruiken: bijgevolg heeft deze strategie geleid tot de ontwikkeling van halfgeleiders met directe overgang die zijn samengesteld uit giftige elementen, zoals kwikcadmiumtelluride en galliumarsenide. Om infraroodhalfgeleiders te ontdekken die vrij zijn van giftige elementen, koos deze onderzoeksgroep voor een onconventionele aanpak: ze concentreerden zich op kristallijne structuren waarin siliciumatomen zich gedragen als tetravalente anionen in plaats van op hun normale tetravalente kationentoestand. De groep koos uiteindelijk voor oxysiliciden (bijv. Ca₃SiO) en oxygermaniden met een omgekeerde perovskiet-kristallijne structuur, synthetiseerden ze, evalueerden hun fysische eigenschappen en voerden theoretische berekeningen uit. Uit deze processen bleek dat deze verbindingen een zeer kleine bandafstand van ongeveer 0.9 eV bij een golflengte van 1.4 μm vertonen, wat aangeeft dat ze een groot potentieel hebben om als directe overgangshalfgeleiders te dienen. Deze verbindingen met een kleine directe bandafstand kunnen potentieel effectief zijn bij het absorberen, detecteren en uitzenden van lange infrarode golflengten, zelfs wanneer ze tot dunne films worden verwerkt, waardoor ze veelbelovende nabij-infrarode halfgeleidermaterialen zijn voor gebruik in infraroodbronnen (bijv. LED's). en detectoren.

In toekomstig onderzoek zijn we van plan infrarood-LED's met hoge intensiteit en zeer gevoelige infrarooddetectoren te ontwikkelen door deze verbindingen te synthetiseren in de vorm van grote enkele kristallen, dunne-filmgroeiprocessen te ontwikkelen en hun fysieke eigenschappen te controleren door middel van doping en deze om te zetten in vaste oplossingen. Als deze inspanningen vruchten afwerpen, kunnen de giftige chemische elementen die momenteel in bestaande nabij-infrarood halfgeleiders worden gebruikt, worden vervangen door niet-giftige.

###

Dit project werd uitgevoerd door een onderzoeksteam bestaande uit Naoki Ohashi (directeur van het Research Center for Functional Materials, NIMS) en Alexander Shluger (professor, University College London (UCL)). Dit werk werd ondersteund door het MEXT Element Strategy Initiative (kernonderzoekscentrum: Tokodai Institute for Element Strategy) en het JSPS Core-to-Core-programma dat de NIMS-UCL-samenwerking mogelijk maakte.

Dit onderzoek is gepubliceerd in de online versie van Anorganische scheikunde, een tijdschrift van de American Chemical Society, op 10 december 2020, lokale tijd.

Kontakte

(Betreffende dit onderzoek)

Naoki Ohashi

Director

Onderzoekscentrum voor Functionele Materialen

Nationaal instituut voor materiaalkunde

Tel: + 81-29-860-4437

E-mail: OHASHI.Naoki=nims.go.jp

(Wijzig “=” in “@”)

Hideya Kumomi

Speciaal benoemde hoogleraar

Materials Research Center voor Elementstrategie

Tokyo Institute of Technology

E-mail: kumomi=mces.titech.ac.jp

(Wijzig “=” in “@”)

(Algemene informatie)

Openbaar Rekationsbureau

Tel: + 81-29-859-2026

Fax: + 81-29-859-2017

E-mail: persbericht=ml.nims.go.jp

(Wijzig “=” in “@”)

Afdeling Public Relations

Afdeling Algemene Zaken

Tokyo Institute of Technology

Tel: +81-3-5734-2975, Fax: +81-3-5734-3661

E-mail: media=jim.titech.ac.jp

(Wijzig “=” in “@”)