MIT工程师在创建新半导体材料工作上取得重大进展

麻省理工学院(MIT)的工程师们报告称，他们创造了一种新半导体材料系列的第一批高质量薄膜。该项研究的首席研究员Rafael Jaramillo将这一壮举称为他的“白鲸”，因为他多年来一直在追求这一壮举，如果历史重演它有可能影响多个技术领域。

创造其他系列半导体的高质量薄膜的能力曾经带来了计算机、太阳能电池、夜视相机等的出现。

Jaramillo指出，当引入一种新材料时，只有当能够获得最高质量的材料时才能实现最重要的科学突破，“研究低质量的材料往往会导致对其科学兴趣和技术潜力的错误否定”。

另外他表示，这种新半导体家族即所谓的卤化物钙钛矿(chalcogenide perovskites)，可以应用于太阳能电池和照明。不过他指出，半导体研究的历史表明，新半导体家族通常是以不可预测的方式启用的。

由于新材料具备了超稳定的能力且由廉价的无毒元素制成，Jaramillo对其所表现出来的潜力感到兴奋。据悉，Jaramillo的团队创造的薄膜由钡、锆和硫组成，它具有特定的晶体结构，即典型的黄铜化物过氧化物。“你可以通过改变成分来做出变化。因此，它确实是一个材料家族，而不仅仅是一次性的，”Jaramillo说道。

这项工作已经发表在2021年11月3日的《Advanced Functional Materials》上。Jaramillo的共同作者还有材料科学与工程系 (DMSE) 的博士后、论文的第一作者Ida Sadeghi、DMSE研究生Kevin Ye、Michael Xu和Yifei Li、MIT材料科学与工程系John Chipman副教授James M. LeBeau。

据了解，Jaramillo及其同事使用一种叫做分子束外延(MBE)的技术来生长他们的高质量薄膜。该技术允许对晶体生长进行原子级的控制，不过这很难做到并且不能保证新材料的成功。Jaramillo指出，尽管如此，半导体技术的历史表明了发展MBE的价值，“这就是它值得一试的原因。”

正如其名称所暗示的那样，MBE本质上是将分子束指向表面上原子的特定排列。原子的这种排列方式为射出的分子提供了一个模板并让它们在上面生长。“这就是为什么外延生长能给你提供最高质量的薄膜。这些材料知道如何生长，”Jaramillo说道。

另一个因素进一步加剧了这项工作的难度。Jaramillo指出，制造该种化学品非常不好有，它们会发臭且会让设备粘连。MBE需要在真空室中进行，但Jaramillo回忆称，当时他们不被进入真空室。

没有参与这项研究工作的东京工业大学教授Hideo Hosono则表示：“（由Jaramillo等人创造的）薄膜显示出镜面平滑的图像，这是原子平坦的表面的结果，并且质量非常好。我们可以预计，实现设备制造如太阳能电池和绿色LED会是下一个对象。”

目前，Jaramillo的小组正专注于两个领域：探索基本问题以获得对材料的更好理解、将它们整合到太阳能电池中。虽然卤化物钙钛矿并不是Jaramillo在MIT实验室的唯一重点。“但这绝对是我们最自豪的项目，因为它花费了最多的努力和最多的延迟满足，”Jaramillo说道。