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新方法用以前不可能的材料制造纳米结构
2018-03-12


[据美国科学日报网站2018318日报道]当在烹制蛋糕的时候,人们几乎可以用任何比例添加各种成分,它们最终仍会混合在一起。但在材料化学领域类似的情况要复杂得多。



通常,添加某种比例的添加物,是为了改变材料的物理性能;然而,添加物并不总是能够以预期的质量与材料的晶体结构相结合。现在一种新方法被开发出来,能够在锗和理想的其他原子之间形成此前无法实现的混合物。这将有助于发展具有明显不同性质的新材料。



让锗晶体中被加入更多的锡或镓



向晶体中以目标方式集成异质原子,实际上是改善材料性质的一种标准方法。现代电子技术就基于添加某些添加物的半导体技术。例如向硅晶体中添加磷和硼等异质原子等就是例子。



半导体材料锗当被混杂进足够量的锡时,也会使其性质和行为发生根本性的变化,变得类似于金属一样。这已经众所周知,然而在实践上却从未实现过。



当然,我们可以尝试简单地将这两种元素熔化,把它们混合成液态,然后让它们凝固,就像几千年来为了生产简单的金属合金所做的那样。但是在上述情况下,这个简单的热力学方法失败了,因为添加的原子不能有效融入晶体的晶格系统。温度越高,原子在物质中运动得越剧烈。这会导致这些异质原子在其结合之后,会从晶体中析出,只在晶体中留下了极低浓度的异质原子。



新方法实现了快速晶体生长与极低过程温度。在结合过程中,随着晶体的生长,正确数量的异质原子不断地结合在一起。



晶体以纳米线或纳米棒的形式生长,温度比以前要低得多,处于140230°C之间。因此,结合的原子移动速度更低,扩散过程缓慢,大多数原子都可以停留在被希望停留的地方。



使用这种方法,可以将28%的锡和3.5%的镓掺入锗中。这比此前利用常规热力学方法,效果增大了30倍到50倍。



可以应用于激光、发光二极管和电子元器件



这为微电子带来了新的可能性。锗可以有效地与现有硅技术结合,而且可以同时或分别添加高浓度的锡和镓;在光电子方面,也能带来极具吸引力的新应用,如被用于红外激光器、光电探测器、工作于红外频段的新型发光二极管。(工业和信息化部电子第一研究所  王巍)



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