硅是电子学的杰出材料分析研究VIP免费

硅是电子学的杰出材料。其有用的电子特性，高丰度，低成本和出色的可加工性有助于刺激硅技术的革命：大规模生产的硅芯片的开发，该技术使计算功能几乎可以集成到任何设备中。但是，可惜的是，硅是一种效率低下的光吸收剂和发射器，从而使其无法用于许多光子学应用中。Fadaly等人在《自然》中写作。1报告了具有优异光电性能的硅锗合金的开发，因此可以帮助开发与当前可用的硅电子设备兼容的光子技术。硅缺乏有用的光电功能是由于其电子特性-据说它是一种间接带隙半导体。作为问题的一个示例，基于硅的太阳能电池必须比基于砷化镓（有效吸收和发射光的直接带隙半导体）的太阳能电池至少厚100倍，以收集相同数量的光，但仍然将光转换成电能的效率低得多2。即使经过数十年的深入研究，基于硅的激光器仍然是一个未实现的梦想。取而代之的是，“”激光器通常是使用复合半导体制成的，这种半导体结合了昂贵的元素，例如铟或镓。在当前可用的硅光子方案中，用于吸收或发射光的组件也大多由化合物半导体制成，并且通常结合到硅上或在芯片外使用3。几代科学家试图通过以不同方式修改硅的电子能带结构，将硅和含硅合金转变为适用于光电子的材料（光电子级材料）。Fadaly等。利用称为区域折叠的策略，该策略最初在1970年代概述为4。这个想法是，在间接带隙半导体中存在周期性电势可以将其转换为直接带隙半导体。到目前为止，这种方法的最佳示例是在特殊类型的硅中生产伪直接带隙半导体（与间接带隙半导体相比，其吸收和发射光的效率更高，但比直接带隙半导体的吸收和发光效率低）。–称为超晶格的锗合金，于1992年报道5。这是通过交替具有不同原子组成的原子层来实现的，但所得材料仍无法充分有效地吸收或发射光，无法用于潜在的应用。将近三十年后，Fadaly及其同事采取了另一种方法。他们没有通过交替使用不同成分的层来改变原子势，而是交替使用了两种锗和硅锗合金中的原子堆叠方式。这将材料的晶格对称性从立方形状变为六角形（图1）。六边形晶格的晶胞（最小的重复单元）包含的原子是立方晶胞的两倍。这将布里渊区的大小减半了。布里渊区是抽象的“”动量空间的晶胞，用于描述半导体中电子的特性。这种尺寸减小又导致材料的电子带在动量空间中折叠，将导带的能量值最小的位置移动到布里渊区的中心，从而产生直接带隙。Fadaly等。使用量子力学计算确定六方晶体结构中锗和硅锗合金的精确能带结构，从而确认这些材料具有直接带隙。最重要的是，作者证明了六方锗具有光电级直接带隙半导体的作用。此外，他们发现通过将六方锗与不同量的硅合金化，他们可以将所得材料发出的光子能量从0.3电子伏特调整到0.67电子伏特。这些发射能量是用于化学传感和光通信技术极其相关3，6。所有这些工作都是通过生产纳米线形式的材料而实现的，纳米线是丝状晶体，其定制直径在几纳米到几百纳米之间。简单来说，纳米线的高表面积-体积比使亚稳结晶相如六边形硅或锗的形成7，8。Fadaly等。率先报道无缺陷六角形锗和硅锗合金可以使用这种方法以可扩展的方式制造。所述纳米线结构还提供另一个优点：它使光以在某种程度上纳米线材料，是理想的光子应用程序交互9，10。例如，可以设计纳米线形状以确保有效的光吸收并防止光因内部反射而被捕获在纳米结构中。纳米线还可能用于光检测器中，以超快收集从入射光子产生的电荷载流子，这种效应对于高速电信来说可能极为有用。Fadaly及其同事的发现可能会导致第一台基于硅的激光器的发展，或者被用于制造中红外光探测器，这两种探测器都将与支撑其的互补金属氧化物半导体（CMOS）硅技术兼容计算机中的许多电路。此类中红外探测器可以用于可扩展且经济的激光雷达平台，这是一种基于激光的测量技术，可被自动驾驶车辆用来检测物体。中红外光不会损坏人眼，这意味着中红外激光可以在激光雷达系统中以高功率使用；这样可以进行远距离物体检测，从而使自动驾驶汽车能够安全高速行驶11。更广泛地讲，具有光电功能的硅基合金的发展可能引发硅技术的第二次革命，这次是硅光子学。