工程师利用百年历史的材料改进红外设备

这张原子分辨率图像展示了PbSnSe薄膜在两种有序相之间转变的过程，这种转变会改变光在材料中的传播方式。虚线标示了两种相之间的边界

经过数十年的深入研究，半导体领域（用于微芯片中控制电流的材料）鲜有突破性进展。但斯坦福大学的材料工程师们发表的两篇论文，首次提出了一种利用研究较为深入的半导体材料来改进红外发光二极管和传感器的极具前景的方法。他们表示，这种方法有望带来更小巧、更轻薄、更经济的红外技术，应用于环境、医疗和工业领域。

“我们教会了老狗新把戏，”资深作者、斯坦福大学工程学院材料科学与工程系助理教授库纳尔·穆克吉（Kunal Mukherjee）这样评价这项工作的重要性。“我们使用的所谓IV-VI族材料——硒化铅和硒化锡铅——已经有超过一百年的历史了。它们是历史上记载的最古老的半导体之一。我们找到了一种方法，将它们与现代技术相结合，制造出一种新型红外二极管，并以重要的方式控制红外光。”

这种新型二极管发射波长较长（4,000-5,000 纳米）的红外光，非常适合用于检测空气中的气体（例如天空中的温室气体）或医疗环境（例如二氧化碳检测仪）。

这种新方法带来的意外好处是，由此产生的集成器件具有“缺陷容错性”。也就是说，即使制造精度并非绝对精确（而纳米级晶体的绝对精确性几乎不可能实现），这些材料也能正常工作。这种灵活性有望显著降低新器件的成本。同样，由于这些半导体材料已被充分研究，它们有望在现有的芯片制造基础设施上进行生产，无需对现有制造设施进行昂贵的改造即可实现商业化规模生产。

五年追寻

从工程角度来看，挑战在于如何将这些复兴的材料与现代技术结合起来。所有半导体都由晶格构成。这些不同材料的层必须通过电子方式相互结合，而且不允许使用任何粘合剂。这绝非易事。

这两篇论文共同代表了五年来的艰苦研究，研究采用了一种称为分子束外延的技术，这种技术可以逐个原子、逐层地构建复杂的晶体。

“我们花了那么多年才弄明白如何正确地生长这些材料，一层一层地生长原子，”论文合著者、穆克吉实验室的前研究生贾罗德·迈耶解释说。“这意味着要让像分子束外延这样的特殊设备一直运转下去——包括因为停电而在凌晨两点冲到实验室。”

第一项研究发表在《先进光学材料》期刊上，由迈耶和前博士后研究员利兰·诺丁共同领导。该研究描述了一种集成技术和制造流程，用于将这些古老的半导体材料与其他主流晶体（例如砷化镓）结合起来，从而创建一个简单高效的红外平台。研究人员发现，尽管每平方厘米存在数十亿个缺陷（称为位错），但这些二极管的亮度仍然出奇地高。现代半导体通常难以容忍如此高的缺陷水平。

第二篇论文发表在《纳米快报》杂志上，由研究生 Pooja Reddy 领导，描述了一种巧妙的晶体结构操控方法，通过微小但精确的温度调节，使材料在两种有序的晶体结构之间发生变化，从而实现对红外光的调制和控制。

“大多数针对这类结构变化材料的研究都旨在实现晶体无序态和有序态之间的转变，”穆克吉说道，并强调了该论文的主要科学成就。“在保持与砷化镓结合的同时，实现两种有序态之间的转变，这才是真正的难点，也是这项研究的亮点所在。”

结构的变化改变了光在晶体中的传播方式，从透明变为不透明，从而打开和关闭光，或者控制光的强度，或者引起光的相位和偏振的变化。

新方向

LED技术的发展主要集中在可见光领域。相比之下，人眼不可见的红外（IR）应用发展较为缓慢，因此，如今的红外技术往往体积庞大、价格昂贵且设计不够精巧。穆克吉希望改变这种现状，并预见到新一代红外器件将更加现代化、成本更具竞争力且易于制造。

工程师们现在可以利用这些升级材料与其他半导体集成，并诱导晶体发生物理变化的能力，来制造波长范围接近10000纳米的新型红外器件。穆克吉预测，这些器件可用于环境监测（例如检测气体泄漏）、需要精确红外传感器的工业和医疗过程，以及用于非侵入式温度测量的新型设备等等。

“红外线在LED领域一直以来都被忽视了，因为我们看不见这种光，但它的贡献可能非常重要，”穆克吉说。“我们希望这些进展能够开启红外线技术发展的新时代。”