תרכובת חדשה עשויה להחליף את החומרים הרעילים כספית-קדמיום-טלוריד (HgCdTe) וכן גליום-ארסניד (GaAs) המשמשים בתור מוליכים למחצה לפחות ביישומים של חישה בתחום האינפרה אדום הקרוב
מאת: המכון הטכנולוגי של יפן. תרגום מאת ד”ר משה נחמני
תרכובת חדשה עשויה להחליף את החומרים הרעילים כספית-קדמיום-טלוריד (HgCdTe) וכן גליום-ארסניד (GaAs) המשמשים בתור מוליכים למחצה בעלי פער אנרגיה ישיר בהתקנים המשמשים בתחום התת-אדום הקרוב (NIR)
מדענים גילו רכיב פוטנציאלי מבטיח לשימוש בגלאי והתקני לד בתחום התת-אדום. התרכובת – המורכבת מסידן, צורן וחמצן – זולה לייצור ואינה רעילה. רבים מהמוליכים למחצה המשמשים בתחום התת-אדום מכילים חומרים כימיים רעילים, כגון קדמיום (cadmium) וטלור (tellurium). החומר החדש יוכל לשמש לטובת הפיתוח של מוליכים למחצה זולים ובטוחים יותר לשימוש בתחום התת-אדום.
חוקרים משני המוסדות: המכון הלאומי למדעי החומרים (NIMS) ומכון טוקיו לטכנולוגיה גילו במשותף שהתרכובת הכימית Ca3SiO מהווה מוליך למחצה בעל פער אנרגיה ישיר, תכונה ההופכת אותה לרכיב פוטנציאלי מבטיח לשימוש בגלאי והתקני לד בתחום התת-אדום. תרכובת זו, המורכבת מהיסודות סידן, צורן וחמצן, היא זולה לייצור ולא רעילה.
אורכי גל בתחום התת-אדום משמשים ביישומים רבים, לרבות בתחומים של תקשורת בסיבים אופטיים, ייצור חשמל פוטו-וולטאי והתקנים לראיית לילה. מוליכים למחצה קיימים המסוגלים לפלוט קרינה בתחום התת-אדום (כלומר, מוליכים למחצה בעלי מעבר ישיר) מכילים תרכובות רעילות, כגון כספית, קדמיום, טלוריד, גאליום וארסן. מוליכים למחצה נטולי רכיבים כימיים רעילים בדרך כלל לא מסוגלים לפלוט קרינה בתחום התת-אדום (כלומר, מוליכים למחצה שאינם בעלי מעבר ישיר). לפיכך, ישנה דרישה בשוק לפיתוח התקני תת-אדום בעלי יישומים חשובים המורכבים ממוליכים למחצה לא רעילים ובעלי פער אנרגיה בתחום התת-אדום. באופן רגיל, התכונות של מוליך למחצה, כגון פער האנרגיה שלו, נשלטו על ידי שילוב של שני יסודות כימיים מהמשפחות הנמצאות מצד שמאל ומצד ימין של המשפחה V בטבלה המחזורית של היסודות, לדוגמה – יסוד ממשפחה III בשילוב עם יסוד ממשפחה V; או יסוד ממשפחה II בשילוב עם יסוד ממשפחה VI. באמצעות אסטרטגיה רגילה זו פער האנרגיה מצטמצם על ידי שימוש ביסודות כבדים יותר – וכתוצאה מכך אסטרטגיה זו הובילה לפיתוח של מוליכים למחצה בעלי מעבר ישיר המורכבים מיסודות רעילים, כגון כספית-קדמיום-טלוריד וכן גליום-ארסניד.
על מנת לגלות מוליכים למחצה חדשים נטולי יסודות רעילים, החוקרים נקטו בגישה בלתי נפוצה: הם התמקדו במבנים גבישיים שבהם אטומי צורן משמשים בתור אניונים ארבע-ערכיים (tetravalent) במקום התצורה הרגילה שלהם בתור קטיונים ארבע-ערכיים. קבוצת המחקר בחרה בסופה של סדרת ניסויים בחומרים oxysilicides (Ca3SiO) וכן oxygermanides במבנה גבישי מהופך מסוג פֵּרוֹבְסְקִיט (perovskite), סינתזו אותם, העריכו את התכונות הפיזיקליות שלהם וביצעו חישובים תיאורטיים. הניסויים הללו חשפו כי תרכובות אלו הן בעלות פער אנרגטי נמוך של בערך 0.9 אלקטרון-וולט באורך גל של 1.4 מיקרומטר, ממצאים המרמזים על הפוטנציאל הרב הטמון בהן בתור מוליכים למחצה ישירים. תכונה זו תוכל לאפשר לחומרים אלו לבלוע, לגלות ולפלוט אורכי גל ארוכים בתחום התת-אדום גם כאשר הם מוטמעים בתור שכבות דקיקות, תכונה שתהפוך אותם לחומרים פוטנציאלים לשימוש בתור מוליכים למחצה בתחום התת-אדום הקרוב ליישומים בהתקני תת-אדום, כגון התקני לד (LED) וגלאים.
בעתיד, החוקרים מתכננים לפתח התקני לד בעוצמה גבוהה וגלאי תת-אדום רגישים במיוחד באמצעות סינתזה של תרכובות אלו בתצורה של חד-גבישים גדולים, לפתח תהליכים חדשניים של גידול שכבות דקיקות ובקרה על התכונות הפיזיקליות שלהן באמצעות אילוח (doping) והפיכתן לתמיסות מוצקות. אם מאמצי החוקרים יישאו פרי, הרי שניתן יהיה להמיר רכיבים רעילים בתוך מוליכים למחצה ברכיבים לא רעילים.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
החומר החדש פועל באורך גל של 1.4 מיקרון – זה אינפרא אדום קרוב. ההתקנים של כספית-קדמיום-טלורייד פועלים באורך גל של 8 עד 14 מיקרון. מדובר על שימושים אחרים לחלוטין. החומר החדש יכול לשמש למקורות וגלאים לסיבים אופטיים, אבל לא לשימושים בתחום התרמי.