铜和锌、铜和锡、铁和碳等化学元素的组合可以分别制得黄铜、青铜和钢金属合金,获得独特的性质,例如可用于特定目的的高强度和耐腐蚀性等。

 

作为美国国防部 MURI 项目的一部分,美国亚利桑那州立大学张永航(Yong-Hang Zhang)教授和 Andrew Chizmeshya 副教授正在这个方向上进行探索,他们将研究硅锗锡(SiGeSn)合金的基本材料特性,用于开发更轻、更快、更节能的下一代红外成像技术。

 

美国亚利桑那州立大学张永航教授,将在 MURI 资金支持下研究 SiGeSn 合金的质量和稳定性,并为红外应用开发创新的器件架构

 

美国国防部 MURI 计划支持多学科大学研究团队,旨在更好地理解或实现以前从未做过的基础研究。以前的很多 MURI 项目取得了重大突破,持续推动了科学进步,促进了美国高校研究生在前沿领域的开拓。

 

2019 年,美国国防部发布了 24 个备受瞩目且竞争激烈的 MURI 项目,资助总额高达 1.69 亿美元。张教授和 Chizmeshya 教授将与阿肯色大学牵头的研究机构以及达特茅斯大学、马萨诸塞大学、波士顿大学和乔治华盛顿大学合作,分享 750 万美元 MURI 项目经费中的约 200 万美元资金。

 

“MURI 计划是美国国防部为大学教授提供的最具竞争力且最激动人心的项目之一,”张教授说,“这是我在半导体光电子材料和器件相关领域的第四个 MURI 项目,表明了亚利桑那州立大学在光子学领域的研究实力。我们正在努力解决一项非常具有挑战性的课题,所以我们需要卷起袖子加油干了。”

 

下一代红外成像技术

半导体材料作为激光器、太阳能电池和晶体管等电子技术的重要基础,在红外成像应用领域占据重要地位。

 

目前最先进的红外技术通常采用碲镉汞半导体合金或元素周期表Ⅲ-Ⅴ族元素制成,使用户无论白天或黑夜都能获得视野,并在军事防御系统和商业应用等领域发挥着重要作用。

 

虽然红外设备在很多应用领域具有提高可视性的巨大潜力,但是当前采用的半导体合金技术由于复杂的制造过程、低效的生产工艺、较差的一致性和高制造成本,而在性能上受到限制。这些限制阻碍了红外技术在军事和民用领域的广泛使用。

 

“SiGeSn 合金是一种相对较新的半导体材料,可用于开发光电通信和红外应用的下一代高速探测器、发射器和调制器,”亚利桑那州立大学分子科学学院化学副教授 Chizmeshya 说,“它们主要由锗组成,但巧妙地添加硅和锡可以获得新的电学特性,例如直接带隙等。”

 

类似于垒砖砌墙,研究人员可以添加连续的半导体材料层来制造工作器件,例如智能手机芯片。SiGeSn 合金可以进行连续的多层制造,从而产生新的半导体架构,获得过去无法实现的性能,例如最长范围的红外探测。

 

“如果我们能够改进 SiGeSn 材料,并将其放在大规模集成的硅基板上,整个系统可以以非常低的成本获得优于当前所有红外技术的性能,”张教授说,“它可以让人们看到人眼看不到的红外光。”

 

为了设计、制造并验证 SiGeSn 作为一种新型红外半导体替代材料,MURI 项目团队必须克服一系列材料挑战。它们如何达到中波红外波长?一旦实现,如何改善材料的性能?当 SiGeSn 材料系统表现出质量和稳定性时,如何使用它来制造高性能器件?

 

此外,Chizmeshya 表示 SiGeSn 合金的热力学数据非常缺乏。因此,研究团队将开发并应用专门的、全新的热力学框架,以揭示影响 SiGeSn 合金稳定性的源头,并最终绘制出 SiGeSn 系统的相图。这种方法还可以在以后应用于其它复杂的合金系统。

 

如果项目成功,这种采用 SiGeSn 合金的低成本和高性能红外技术将对美国国防部带来重大影响。例如,飞机可配备更高效、更具成本效益的红外热成像设备,以在能见度较差的情况下改善飞行员的战场监视能力。此外,士兵和国防车辆可配备地基视觉系统,以更高的准确性和精确度检测威胁和漏洞。

 

当然,SiGeSn 合金的应用前景将远远超出国防领域。基于 SiGeSn 合金的红外技术可以使医疗保健、监视、搜救、自动驾驶、气象学和气候学等应用受益。

 

张教授预计基于 SiGeSn 合金的低成本夜视技术将在不到 10 年内广泛应用于汽车、卡车和其他自动驾驶车辆。得益于此,由黑暗、雨雾或沙尘暴等能见度有限而导致的车祸将大大减少,从而挽救更多的生命,并提高车辆行驶的安全性。

 

张教授指导的研究生正在操作分子束外延设备,生长单晶半导体薄膜和太阳能电池

 

十年以上 SiGeSn 合金专业研究

该 MURI 项目聚集了一支在 SiGeSn 合金前沿领域工作多年的跨学科研究团队,包括化学家、土木工程师、电气工程师、数学家和物理学家,他们将利用积累多年的红外光子学研究经验,以深入研究 SiGeSn 合金及其低成本大规模制造的基本材料和器件问题。

 

Shui-Qing (Fisher) Yu 是阿肯色大学的首席研究员,他在开发采用 SiGeSn 合金的光电器件方面拥有多年的专业积累,如激光器、光电探测器和红外相机等。他还研究了 SiGeSn 合金在提高材料质量和降低器件成本方面的潜力。

 

Yu 于 2005 年获得亚利桑那州立大学电气工程博士学位,因其在张教授研究小组的卓越工作而获得著名的富尔顿学院 Palais 杰出博士生奖。

 

张教授的研究涵盖了广泛的光电子领域,包括半导体材料的生长及其结构和光学特性,以及新型半导体器件的设计、制造和测试。

 

对于这个项目,张教授将更深入的探究 SiGeSn 材料的外延生长技术,确定其质量和稳定性,并针对红外应用的 SiGeSn 合金开发量身定制的创新器件架构。张教授作为实验主义者,他的专业积累将很好的与其合作者、理论派 Chizmeshya 教授配合。

 

Chizmeshya 教授在理论固态电子学、化学和材料科学方法方面的专业知识能够指导新合金的设计,并阐明其热力学、电子学和结构特性。他将使用超级计算机基于量子力学的模拟仿真,研究 SiGeSn 合金化学气相沉积生长过程的关键点。

 

“关于这个 MURI 项目的研究人员已经合作或分别在 SiGeSn 合金的各个方面进行了十多年的合作,”Chizmeshya 教授说,“我们将首次将个人的专业积累和丰富的集体经验结合起来。”