麻省理工學院(MIT)的工程師們報告稱，他們創造了一種新半導體材料系列的第一批高質量薄膜。該項研究的首席研究員Rafael Jaramillo將這一壯舉稱為他的“白鯨”，因為他多年來一直在追求這一壯舉，如果歷史重演它有可能影響多個技術領域。
創造其他系列半導體的高質量薄膜的能力曾經帶來了計算機、太陽能電池、夜視相機等的出現。
Jaramillo指出，當引入一種新材料時，只有當能夠獲得最高質量的材料時才能實現最重要的科學突破，“研究低質量的材料往往會導致對其科學興趣和技術潛力的錯誤否定”。
另外他表示，這種新半導體家族即所謂的鹵化物鈣鈦礦(chalcogenide perovskites)，可以應用於太陽能電池和照明。不過他指出，半導體研究的歷史表明，新半導體家族通常是以不可預測的方式啟用的。
由於新材料具備了超穩定的能力且由廉價的無毒元素製成，Jaramillo對其所表現出來的潛力感到興奮。據悉，Jaramillo的團隊創造的薄膜由鋇、鋯和硫組成，它具有特定的晶體結構，即典型的黃銅化物過氧化物。“你可以通過改變成分來做出變化。因此，它確實是一個材料家族，而不僅僅是一次性的，”Jaramillo說道。
這項工作已經發表在2021年11月3日的《Advanced Functional Materials》上。Jaramillo的共同作者還有材料科學與工程系 (DMSE) 的博士后、論文的第一作者Ida Sadeghi、DMSE研究生Kevin Ye、Michael Xu和Yifei Li、MIT材料科學與工程系John Chipman副教授James M. LeBeau。
據了解，Jaramillo及其同事使用一種叫做分子束外延(MBE)的技術來生長他們的高質量薄膜。該技術允許對晶體生長進行原子級的控制，不過這很難做到並且不能保證新材料的成功。Jaramillo指出，儘管如此，半導體技術的歷史表明了發展MBE的價值，“這就是它值得一試的原因。”
正如其名稱所暗示的那樣，MBE本質上是將分子束指向表面上原子的特定排列。原子的這種排列方式為射出的分子提供了一個模板並讓它們在上面生長。“這就是為什麼外延生長能給你提供最高質量的薄膜。這些材料知道如何生長，”Jaramillo說道。
另一個因素進一步加劇了這項工作的難度。Jaramillo指出，製造該種化學品非常不好有，它們會發臭且會讓設備粘連。MBE需要在真空室中進行，但Jaramillo回憶稱，當時他們不被進入真空室。
沒有參與這項研究工作的東京工業大學教授Hideo Hosono則表示：“（由Jaramillo等人創造的）薄膜顯示出鏡面平滑的圖像，這是原子平坦的表面的結果，並且質量非常好。我們可以預計，實現設備製造如太陽能電池和綠色LED會是下一個對象。”
目前，Jaramillo的小組正專註於兩個領域：探索基本問題以獲得對材料的更好理解、將它們整合到太陽能電池中。
雖然鹵化物鈣鈦礦並不是Jaramillo在MIT實驗室的唯一重點。“但這絕對是我們最自豪的項目，因為它花費了最多的努力和最多的延遲滿足，”Jaramillo說道。