钙硅氧取代镉碲砷，科学家终于找到了无毒的红外半导体材料

许多现有的红外半导体都含有有毒的化学元素，比如镉和碲。在一项新研究中，科学家发现，化合物Ca3SiO是一种直接带隙半导体，这种化合物由钙、硅和氧组成，生产成本低，无毒，有潜力用于红外LED和红外探测器元件。

研究于去年12月10日发表在《无机化学》上，标题为“Inverse Perovskite Oxysilicides and Oxygermanides as Candidates for Nontoxic Infrared Semiconductor and Their Chemical Bonding Nature”(作为无毒红外半导体候选材料的反钙钛矿氧硅化物和氧锗化物及其化学键性质)，通讯作者为日本国立材料科学研究所的Naoki Ohashi。

红外电磁波有许多用途，比如光纤通信、光伏发电和夜视设备。但是，能够发射红外辐射的半导体(即直接过渡半导体，如碲化汞镉和砷化镓)，都含有有毒化合物。不含有毒化学元素的红外半导体通常不能发射红外辐射(即间接带隙半导体)。

传统上，材料的半导体性质(如能带隙)是通过结合位于IV族元素左右两侧的2种化学元素(如III和V或II和VI)来控制的。在这种传统策略中，通过使用较重的元素，能带隙变得更窄：这这一思路带来了有毒直接过渡半导体的发展，如碲化汞镉和砷化镓。

为了发现不含有毒元素的红外半导体，这个研究小组采取了一种非传统的方法：他们专注于硅原子作为四价阴离子而不是正常的四价阳离子状态的晶体结构。

该小组最终选择了具有反钙钛矿晶体结构的氧硅化物(例如Ca3SiO)和氧锗化物，合成了它们，评估了它们的物理性能并进行了理论计算。

结果显示，这些化合物有作为直接跃迁半导体的巨大潜力。这些具有小的直接带隙的化合物可能在吸收、探测和发射长的红外波长方面有效，甚至当它们被加工成薄膜时，使它们成为非常有希望的近红外半导体材料，用于红外源和探测器。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：

【1】https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.inorgchem.0c02897

【2】https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210323103829.htm