Descoberta de semicondutores não tóxicos com um band gap direto no infravermelho próximo

O NIMS e o Instituto de Tecnologia de Tóquio descobriram em conjunto que o composto químico Ca₃SiO é um semicondutor de transição direta, tornando-se um LED infravermelho potencialmente promissor e um componente detector de infravermelho. Este composto – composto de cálcio, silício e oxigênio – é barato de produzir e não é tóxico. Muitos dos semicondutores infravermelhos existentes contêm elementos químicos tóxicos, como cádmio e telúrio. Ca₃O SiO pode ser usado para desenvolver semicondutores de infravermelho próximo mais baratos e seguros.

Os comprimentos de onda infravermelhos têm sido usados ​​para muitas finalidades, incluindo comunicações de fibra óptica, geração de energia fotovoltaica e dispositivos de visão noturna. Os semicondutores existentes capazes de emitir radiação infravermelha (ou seja, semicondutores de transição direta) contêm compostos químicos tóxicos, como telureto de cádmio de mercúrio e arsenieto de gálio. Semicondutores infravermelhos livres de elementos químicos tóxicos são geralmente incapazes de emitir radiação infravermelha (ou seja, semicondutores de transição indireta). É desejável desenvolver dispositivos infravermelhos de alto desempenho usando semicondutores de transição direta não tóxicos com um intervalo de banda na faixa do infravermelho.

Convencionalmente, as propriedades semicondutoras dos materiais, como o gap de energia, têm sido controladas pela combinação de dois elementos químicos que estão localizados no lado esquerdo e direito dos elementos do grupo IV, como III e V ou II e VI. Nesta estratégia convencional, o band gap de energia torna-se mais estreito com o uso de elementos mais pesados: consequentemente, essa estratégia levou ao desenvolvimento de semicondutores de transição direta compostos por elementos tóxicos, como telureto de cádmio de mercúrio e arsenieto de gálio. Para descobrir semicondutores infravermelhos livres de elementos tóxicos, este grupo de pesquisa adotou uma abordagem não convencional: eles se concentraram em estruturas cristalinas nas quais os átomos de silício se comportam como ânions tetravalentes em vez de seu estado catiônico tetravalente normal. O grupo finalmente escolheu oxissilicidas (por exemplo, Ca₃SiO) e oxigermanidas com estrutura cristalina de perovskita inversa, sintetizou-os, avaliou suas propriedades físicas e realizou cálculos teóricos. Esses processos revelaram que esses compostos apresentam um band gap muito pequeno de aproximadamente 0.9 eV em um comprimento de onda de 1.4 μm, indicando seu grande potencial para servir como semicondutores de transição direta. Esses compostos com um pequeno band gap direto podem ser potencialmente eficazes na absorção, detecção e emissão de comprimentos de onda infravermelhos longos, mesmo quando processados ​​em filmes finos, tornando-os materiais semicondutores de infravermelho próximo muito promissores para serem usados ​​em fontes de infravermelho (por exemplo, LEDs) e detectores.

Em pesquisas futuras, planejamos desenvolver LEDs infravermelhos de alta intensidade e detectores infravermelhos altamente sensíveis sintetizando esses compostos na forma de grandes monocristais, desenvolvendo processos de crescimento de filmes finos e controlando suas propriedades físicas por meio de dopagem e transformando-os em soluções sólidas. Se esses esforços derem frutos, os elementos químicos tóxicos atualmente usados ​​em semicondutores de infravermelho próximo existentes podem ser substituídos por outros não tóxicos.

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Este projeto foi realizado por uma equipe de pesquisa composta por Naoki Ohashi (Diretor do Centro de Pesquisa para Materiais Funcionais, NIMS) e Alexander Shluger (Professor, University College London (UCL)). Este trabalho foi apoiado pela MEXT Element Strategy Initiative (centro de pesquisa central: Tokodai Institute for Element Strategy) e o Programa JSPS Core-to-Core que permitiu a colaboração NIMS-UCL.

Esta pesquisa foi publicada na versão online do Química Inorgânica, uma revista da American Chemical Society, em 10 de dezembro de 2020, hora local.

Contatos

(Em relação a esta pesquisa)

Naoki Ohashi

Diretor

Centro de Pesquisa de Materiais Funcionais

Instituto Nacional de Ciência de Materiais

Tel: +81-29-860-4437

E-mail: OHASHI.Naoki=nims.go.jp

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Hideya Kumomi

Professor especialmente indicado

Centro de Pesquisa de Materiais para Estratégia de Elementos

Instituto de Tecnologia de Tóquio

E-mail: kumomi=mces.titech.ac.jp

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