客观日本

东大利用铝基近似晶体制造出半导体

2019年06月19日 化学材料
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准晶中是否存在半导体是固体物理学的基本课题之一,如果存在,有望作为高性能热电材料使用。但此前,在存在大量准晶的铝基材料中,即使是在作为前体的近似晶体中也没有发现半导体。此次,东京大学在铝基准晶近似晶体中成功制作出了半导体。这项成果是实现半导体准晶的突破口,预计半导体准晶的热电性能可达到晶体的2.5倍。

目前在100多种物质中发现了准晶,与晶体和非晶一样,准晶作为固体结构的概念也已确立(表1),并获得了2011年的诺贝尔化学奖。另一方面,在固体物理学最基本的分类中,根据电气性质可将固体结构分为金属、半金属、半导体和绝缘体几类。而在原子级准晶中只发现了金属(表2),是否存在半导体和绝缘体成为固体物理学的基本问题之一。

东大利用铝基近似晶体制造出半导体

表1:晶体、准晶和非晶的比较。

东大利用铝基近似晶体制造出半导体

表2:根据固体的结构和电气性质分类。

按照第一性原理计算的结果显示,作为铝基正20面体准晶的前体——铝基准晶近似晶体之一的Al22Ir8(图1),具备半金属能带结构,此次研究小组的着眼点就在于此。研究发现,如图2所示,导带下端由位于正20面体簇顶点的Ir的d轨道构成,价带上端由正20面体簇内部的簇状(由8个Al和1个Ir构成)p轨道构成。因此,为打开带隙,d轨道的能量用比Ir高的Ru置换了Ir,sp轨道的能量用比Al低的Si置换了Al的一部分,由此形成了Al18Si5Ru8。研究小组对其结构实施了第一性原理计算,结果跟预想的一样,带隙扩大,形成了半导体能带结构。

东大利用铝基近似晶体制造出半导体

图1:Al22Ir8近似晶体的晶体结构。Ir的正20面体簇形成了立方晶。

东大利用铝基近似晶体制造出半导体

图2:Al22Ir8和Al18Si5Ru8近似晶体的能带结构与导带下端和价带上端的电子轨道。

通过用Ru置换Ir和用Si置换Al的能带工程,成功打开了带隙。

为了通过实验确认是否形成了半导体,研究小组利用Al18Si5Ru8(Al58.1Si16.1Ru25.8)的近似组成合成了样品,最终以Al67.6Si8.9Ru23.5的结构构成,成功制作了单相近似晶体,并对该样品的热电性能(塞贝克系数、导电率、导热率)进行测量。根据塞贝克系数和导电率对温度的依赖性确认,该样品是具备0.15eV左右带隙的半导体。由此证明,此次是在全球首次通过实验在铝基近似晶体中制造出了半导体。之前虽然通过第一性原理计算预测到了很多半导体,但一直未能通过实验实现。

在很多铝基合金中,通过近似晶体的近似组成都能生成准晶,因此在Al-Si-Ru基材料中也可能发现半导体准晶。如果能够实现,不仅有望解决固体物理学的一个基本问题,还有助于开发更高性能的热电材料。

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文:JST客观日本编辑部

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