室溫下制造半導(dǎo)體材料的新工藝問世

近日，荷蘭特文特大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種新工藝，能在室溫下制造出晶體結(jié)構(gòu)高度有序的半導(dǎo)體材料。他們表示，通過精準(zhǔn)控制這種半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)，大幅降低了內(nèi)部納米級(jí)缺陷的數(shù)量，可顯著提升光電子學(xué)效率，進(jìn)而促進(jìn)新型太陽能電池和電子產(chǎn)品的發(fā)展。相關(guān)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(xué)》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(yīng)用于發(fā)光二極管、半導(dǎo)體和太陽能電池等設(shè)備中。然而，迄今研制出的金屬鹵化物鈣鈦礦大多是晶體結(jié)構(gòu)無序材料。材料中的分子會(huì)朝向多個(gè)不同的方向，并擁有不同的結(jié)構(gòu)。對于創(chuàng)建高效可靠的設(shè)備而言，擁有完美有序晶體結(jié)構(gòu)至關(guān)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(xué)家使用脈沖激光，在室溫下逐層構(gòu)建出了這種新材料。新材料可在300多天內(nèi)保持性能穩(wěn)定，為太陽能電池板和先進(jìn)電子產(chǎn)品等應(yīng)用帶來了巨大潛力。這項(xiàng)創(chuàng)新成果不僅有助于科學(xué)家們開發(fā)出更環(huán)保、更具成本效益的技術(shù)，也為材料領(lǐng)域的新突破奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

有序半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料，這種有序結(jié)構(gòu)對材料的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，使其在電子學(xué)、光學(xué)等領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

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(fù)排列，形成晶體結(jié)構(gòu)。如常見的硅、鍺等半導(dǎo)體，它們的原子以金剛石結(jié)構(gòu)或閃鋅礦結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)具有一定的規(guī)律性，有利于電子的傳導(dǎo)和半導(dǎo)體器件的性能穩(wěn)定。

分子有序組裝：對于一些有機(jī)半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。

納米結(jié)構(gòu)有序：通過納米加工技術(shù)或自組裝方法，可將半導(dǎo)體材料制成具有有序納米結(jié)構(gòu)的材料，如量子點(diǎn)、納米線、納米管等。這些納米結(jié)構(gòu)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(yīng)等，使其具有與體材料不同的物理性質(zhì)，為半導(dǎo)體器件的微型化和高性能化提供了可能。有序的結(jié)構(gòu)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(dǎo)體材料的電導(dǎo)率和遷移率。這對于提高半導(dǎo)體器件的運(yùn)行速度和降低功耗非常重要，例如在高速集成電路中，可實(shí)現(xiàn)更快的信號(hào)傳輸和處理。另外，有序半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度分布較為規(guī)則，使其在光學(xué)吸收、發(fā)射等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。比如一些量子點(diǎn)材料，由于其尺寸和結(jié)構(gòu)的有序性，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的發(fā)光波長調(diào)控，可應(yīng)用于顯示、照明、生物成像等領(lǐng)域。

據(jù)悉，作為制造晶體管、二極管等基本元件的關(guān)鍵材料，有序半導(dǎo)體材料的高性能有助于提高集成電路的集成度和運(yùn)行速度，推動(dòng)芯片技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)體材料可以通過精確控制其結(jié)構(gòu)和組成，實(shí)現(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換和光發(fā)射，在照明、通信、能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

利用有序半導(dǎo)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(xué)檢測、食品安全檢測等領(lǐng)域。