Struttura cristallina della perovskite inversa Ca 3 semiconduttore SiO
NIMS e il Tokyo Institute of Technology hanno scoperto congiuntamente che il composto chimico Ca 3 SiO è un semiconduttore a transizione diretta, rendendolo un LED a infrarossi potenzialmente promettente e un componente rilevatore a infrarossi. Questo composto, composto da calcio, silicio e ossigeno:è economico da produrre e non tossico. Molti dei semiconduttori a infrarossi esistenti contengono elementi chimici tossici, come cadmio e tellurio. Circa 3 SiO può essere utilizzato per sviluppare semiconduttori nel vicino infrarosso meno costosi e più sicuri.
Le lunghezze d'onda infrarosse sono state utilizzate per molti scopi, comprese le comunicazioni in fibra ottica, generazione di energia fotovoltaica e dispositivi per la visione notturna. I semiconduttori esistenti in grado di emettere radiazioni infrarosse (cioè, semiconduttori a transizione diretta) contengono composti chimici tossici, come il tellururo di cadmio e mercurio e l'arseniuro di gallio. I semiconduttori infrarossi privi di elementi chimici tossici sono generalmente incapaci di emettere radiazioni infrarosse (cioè, semiconduttori a transizione indiretta). È auspicabile sviluppare dispositivi a infrarossi ad alte prestazioni utilizzando sostanze non tossiche, semiconduttori a transizione diretta con banda proibita nel campo dell'infrarosso.
Convenzionalmente, le proprietà semiconduttive dei materiali, come il gap di banda energetica, sono stati controllati combinando due elementi chimici che si trovano sul lato sinistro e destro degli elementi del gruppo IV, come III e V o II e VI. In questa strategia convenzionale, band gap energetica si restringe utilizzando elementi più pesanti:di conseguenza, questa strategia ha portato allo sviluppo di semiconduttori a transizione diretta composti da elementi tossici, come il tellururo di cadmio e mercurio e l'arseniuro di gallio. Per scoprire semiconduttori a infrarossi privi di elementi tossici, questo gruppo di ricerca ha adottato un approccio non convenzionale:si è concentrato su strutture cristalline in cui gli atomi di silicio si comportano come anioni tetravalenti invece del loro normale stato cationico tetravalente. Il gruppo alla fine ha scelto gli ossisilicidi (ad es. Circa 3 SiO) e ossigermanidi a struttura cristallina perovskite inversa, li ha sintetizzati, valutato le loro proprietà fisiche e condotto calcoli teorici. Questi processi hanno rivelato che questi composti mostrano un gap di banda molto piccolo di circa 0,9 eV a una lunghezza d'onda di 1,4 μm, indicando il loro grande potenziale per servire come semiconduttori a transizione diretta. Questi composti con una piccola banda proibita diretta possono essere potenzialmente efficaci nell'assorbire, rilevando ed emettendo lunghe lunghezze d'onda infrarosse anche quando vengono trasformate in film sottili, rendendoli molto promettenti materiali semiconduttori nel vicino infrarosso da utilizzare in sorgenti a infrarossi (ad es. LED) e rilevatori.
Nelle ricerche future, abbiamo in programma di sviluppare LED infrarossi ad alta intensità e rivelatori infrarossi altamente sensibili sintetizzando questi composti sotto forma di grandi cristalli singoli, sviluppare processi di crescita di film sottili e controllarne le proprietà fisiche mediante drogaggio e trasformazione in soluzioni solide. Se questi sforzi portano frutto, gli elementi chimici tossici attualmente utilizzati nei semiconduttori nel vicino infrarosso esistenti possono essere sostituiti con altri non tossici.
