什么是SiGeSn合金?它有什么作用?銅和鋅、銅和錫、鐵和碳等化學(xué)元素的組合可以分別制得黃銅、青銅和鋼金屬合金，獲得獨特的性質(zhì)，例如可用于特定目的的高強度和耐腐蝕性等。

    作為美國國防部MURI項目的一部分，美國亞利桑那州立大學(xué)張永航(Yong-Hang Zhang)教授和Andrew Chizmeshya副教授正在這個方向上進行探索，他們將研究硅鍺錫(SiGeSn)合金的基本材料特性，用于開發(fā)更輕、更快、更節(jié)能的下一代紅外成像技術(shù)。美國國防部MURI計劃支持多學(xué)科大學(xué)研究團隊，旨在更好地理解或?qū)崿F(xiàn)以前從未做過的基礎(chǔ)研究。以前的很多MURI項目取得了重大突破，持續(xù)推動了科學(xué)進步，促進了美國高校研究生在前沿領(lǐng)域的開拓。

    2019年，美國國防部發(fā)布了24個備受矚目且競爭激烈的MURI項目，資助總額高達1.69億美元。張教授和Chizmeshya教授將與阿肯色大學(xué)牽頭的研究機構(gòu)以及達特茅斯大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、波士頓大學(xué)和喬治華盛頓大學(xué)合作，分享750萬美元MURI項目經(jīng)費中的約200萬美元資金。

    “MURI計劃是美國國防部為大學(xué)教授提供的最具競爭力且最激動人心的項目之一，”張教授說，“這是我在半導(dǎo)體光電子材料和器件相關(guān)領(lǐng)域的第四個MURI項目，表明了亞利桑那州立大學(xué)在光子學(xué)領(lǐng)域的研究實力。我們正在努力解決一項非常具有挑戰(zhàn)性的課題，所以我們需要卷起袖子加油干了?！?/p>

    下一代紅外成像技術(shù)

    半導(dǎo)體材料作為激光器、太陽能電池和晶體管等電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，在紅外成像應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。目前最先進的紅外技術(shù)通常采用碲鎘汞半導(dǎo)體合金或元素周期表Ⅲ-Ⅴ族元素制成，使用戶無論白天或黑夜都能獲得視野，并在軍事防御系統(tǒng)和商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。雖然紅外設(shè)備在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有提高可視性的巨大潛力，但是當(dāng)前采用的半導(dǎo)體合金技術(shù)由于復(fù)雜的制造過程、低效的生產(chǎn)工藝、較差的一致性和高制造成本，而在性能上受到限制。這些限制阻礙了紅外技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛使用。

    “SiGeSn合金是一種相對較新的半導(dǎo)體材料，可用于開發(fā)光電通信和紅外應(yīng)用的下一代高速探測器、發(fā)射器和調(diào)制器，”亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院化學(xué)副教授Chizmeshya說，“它們主要由鍺組成，但巧妙地添加硅和錫可以獲得新的電學(xué)特性，例如直接帶隙等?！?/p>

    類似于壘磚砌墻，研究人員可以添加連續(xù)的半導(dǎo)體材料層來制造工作器件，例如智能手機芯片。SiGeSn合金可以進行連續(xù)的多層制造，從而產(chǎn)生新的半導(dǎo)體架構(gòu)，獲得過去無法實現(xiàn)的性能，例如最長范圍的紅外探測?！叭绻覀兡軌蚋倪MSiGeSn材料，并將其放在大規(guī)模集成的硅基板上，整個系統(tǒng)可以以非常低的成本獲得優(yōu)于當(dāng)前所有紅外技術(shù)的性能，”張教授說，“它可以讓人們看到人眼看不到的紅外光。”

    為了設(shè)計、制造并驗證SiGeSn作為一種新型紅外半導(dǎo)體替代材料，MURI項目團隊必須克服一系列材料挑戰(zhàn)。它們?nèi)绾芜_到中波紅外波長?一旦實現(xiàn)，如何改善材料的性能?當(dāng)SiGeSn材料系統(tǒng)表現(xiàn)出質(zhì)量和穩(wěn)定性時，如何使用它來制造高性能器件?此外，Chizmeshya表示SiGeSn合金的熱力學(xué)數(shù)據(jù)非常缺乏。因此，研究團隊將開發(fā)并應(yīng)用專門的、全新的熱力學(xué)框架，以揭示影響SiGeSn合金穩(wěn)定性的源頭，并最終繪制出SiGeSn系統(tǒng)的相圖。這種方法還可以在以后應(yīng)用于其它復(fù)雜的合金系統(tǒng)。

    如果項目成功，這種采用SiGeSn合金的低成本和高性能紅外技術(shù)將對美國國防部帶來重大影響。例如，飛機可配備更高效、更具成本效益的紅外熱成像設(shè)備，以在能見度較差的情況下改善飛行員的戰(zhàn)場監(jiān)視能力。此外，士兵和國防車輛可配備地基視覺系統(tǒng)，以更高的準(zhǔn)確性和精確度檢測威脅和漏洞。

    當(dāng)然，SiGeSn合金的應(yīng)用前景將遠遠超出國防領(lǐng)域?；赟iGeSn合金的紅外技術(shù)可以使醫(yī)療保健、監(jiān)視、搜救、自動駕駛、氣象學(xué)和氣候?qū)W等應(yīng)用受益。張教授預(yù)計基于SiGeSn合金的低成本夜視技術(shù)將在不到10年內(nèi)廣泛應(yīng)用于汽車、卡車和其他自動駕駛車輛。得益于此，由黑暗、雨霧或沙塵暴等能見度有限而導(dǎo)致的車禍將大大減少，從而挽救更多的生命，并提高車輛行駛的安全性。

    十年以上SiGeSn合金專業(yè)研究

    該MURI項目聚集了一支在SiGeSn合金前沿領(lǐng)域工作多年的跨學(xué)科研究團隊，包括化學(xué)家、土木工程師、電氣工程師、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，他們將利用積累多年的紅外光子學(xué)研究經(jīng)驗，以深入研究SiGeSn合金及其低成本大規(guī)模制造的基本材料和器件問題。

    Shui-Qing (Fisher) Yu是阿肯色大學(xué)的首席研究員，他在開發(fā)采用SiGeSn合金的光電器件方面擁有多年的專業(yè)積累，如激光器、光電探測器和紅外相機等。他還研究了SiGeSn合金在提高材料質(zhì)量和降低器件成本方面的潛力。Yu于2005年獲得亞利桑那州立大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，因其在張教授研究小組的卓越工作而獲得著名的富爾頓學(xué)院Palais杰出博士生獎。

    張教授的研究涵蓋了廣泛的光電子領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體材料的生長及其結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，以及新型半導(dǎo)體器件的設(shè)計、制造和測試。對于這個項目，張教授將更深入的探究SiGeSn材料的外延生長技術(shù)，確定其質(zhì)量和穩(wěn)定性，并針對紅外應(yīng)用的SiGeSn合金開發(fā)量身定制的創(chuàng)新器件架構(gòu)。張教授作為實驗主義者，他的專業(yè)積累將很好的與其合作者、理論派Chizmeshya教授配合。

    Chizmeshya教授在理論固態(tài)電子學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)方法方面的專業(yè)知識能夠指導(dǎo)新合金的設(shè)計，并闡明其熱力學(xué)、電子學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。他將使用超級計算機基于量子力學(xué)的模擬仿真，研究SiGeSn合金化學(xué)氣相沉積生長過程的關(guān)鍵點?！瓣P(guān)于這個MURI項目的研究人員已經(jīng)合作或分別在SiGeSn合金的各個方面進行了十多年的合作，”Chizmeshya教授說，“我們將首次將個人的專業(yè)積累和豐富的集體經(jīng)驗結(jié)合起來?！币陨暇褪腔赟iGeSn合金的下一代紅外成像技術(shù)，希望能給大家?guī)椭?/p>