В 2016 году в журнале Nature Communications вышла статья, в которой рассказывалось об открытии, сделанном группой японских ученых Токийского технологического института, Национального института материаловедения и Киотского университета. Их открытие заключалось в обнаружении новых химических соединений, сулящих прорыв в полупроводниковой отрасли.
Известно, что полупроводники играют ключевую роль в современной электронике. Кремний и германий — основа электроники и фотогальваники. Диоды, транзисторы, микросхемы, солнечные батареи и т. д. — все это полупроводники.
На таких соединениях, как GaAs, GaP и GaN – построена индустрия светодиодов и оптоэлектронных устройств. Оксидные полупроводники используются в тонкопленочных транзисторах, фотокатализаторы на основе полупроводников и фотоэлектрохимические элементы разрабатываются, в частности, для электролиза воды.
Среди составных полупроводников привлекательны те, которые, во-первых, безопасны для окружающей среды, не токсичны, во-вторых, являются доступными. Как раз к таким полупроводникам и относятся нитриды.
Многие из них химически стабильны даже при высоких температурах, что позволяет использовать их в силовой электронике. Кроме того, технологии выращивания нитридов в форме пленок и объемных кристаллов не являются чем-то абсолютно новым. Однако, количество коммерческих нитридов ограничено.
Поиски новых нитридов продолжались, в том числе и путем расчетов. Высокопроизводительный первопринципный скрининг, основанный на прототипных структурах и поиске с использованием эволюционного программного алгоритма, позволил ученым идентифицировать ранее неизвестные полупроводники с еще не изученными характеристиками.
Важной желательной характеристикой полупроводника является высокая подвижность их носителей заряда. Критическим физическим параметром выступает эффективная масса электрона и дырки.
Нитриды третьей группы в кристаллической модификации «вюрцит», особенно GaN и InN, имеют небольшие эффективные массы электронов, умеренные эффективные массы дырок в валентных зонах.
Но лучше всего, если эффективная масса электрона в полупроводнике будет находиться в районе m0/2, то есть будет равна половина массы покоя электрона, а лучше - меньше, а масса дырки — меньше m0. Среди соединений с трехвалентным азотом необходимо было найти наиболее подходящие.
Итак, ученые рассмотрели 583 возможных соединения цинка и трехвалентного азота, подвергли их программному анализу, пристально изучили пространственную структуру каждого из соединений. В конце концов было отобрано 21 стабильное соединение, параметры которых укладывались в диапазон поиска.
Интересно, что половина из найденных компьютером соединений азота с цинком ни разу не была до этого исследована в качестве полупроводников.
Так или иначе, два из вычисленных соединений, а именно - CaZn2N2 и Ca2ZnN2 – привлекли особое внимание исследователей. Они не токсичны, так как в их основе азот. И они доступны в природе, ведь кальций и цинк — элементы распространенные. К тому же массы носителей заряда конкретно у CaZn2N2 очень небольшие.
Для сравнения, у того же GaN масса дырки вдвое больше массы покоя электрона, то есть равна 2*m0. Тогда как у CaZn2N2 масса покоя электрона равна 0,2*m0, а масса дырки 0,9*m0. Кроме того, оба новых полупроводниковых материала отличаются высокой подвижностью носителей заряда.
Главное - CaZn2N2 показал себя как прямозонный полупроводник, то есть способный излучать свет без безызлучательных переходов. Он имеет высокий коэффициент поглощения света.
Плюс к этому является фотолюминофором, излучающим красный свет при комнатной температуре. Прямая запрещенная зона при комнатной температуре составляет примерно 1,9 эВ. Таким образом, CaZn2N2 оказался весьма интересным и перспективным для производства более эффективных солнечных панелей.
Смотрите также на сайте Электрик Инфо:
Редкие металлы в электронике и электроэнергетике
Графеновая электроника – чудо 21 века
10 лучших технологий аккумуляторов, зарядки и хранения энергии будущего
Андрей Повный
