Only Perception: 無熱膨脹的混種半導體

2007-12-20

無熱膨脹的混種半導體

'Hybrid' semiconductors show zero thermal expansion, could lead to hardier electronics and optoelectronics
http://www.physorg.com/news117289132.html

December 19, 2007

電腦中的風扇能阻止微處理器晶片過熱，避免其組成材料開始膨脹，引發裂痕，中斷電力流動 -- 甚至還有可能毀滅晶片。熱膨脹亦能使半導體材料與基質分離，由於材料電子結構的改變，或發出雷射光之易碎結構變形，導致效能減低。

最近由美國能源部 NREL 與 ANL 以及學術單位的科學家們所發表研究，闡明一種具有零熱膨脹（zero thermal expansion，ZTE）的半導體材料。這項研究或能在未來世代的電子學與光電子學中扮演某種角色，那能夠禁得起範圍更廣的溫度變化。

傳統上對於 ZTE 材料的關注大部分都在光學、熱引擎元件與廚房用具。ZTE 材料在非傳統領域，例如電子與光電，的應用則頗罕見；大部分是玻璃，而它在電子產品上應用並不是很好。在此研究當中的混種無機半導體是種多功能的半導體，先前已證明擁有優異的電子與光學特性。該研究亦建議一種替代途徑以設計任何所需要的，具有正或負熱膨脹的材料。

"它是無機與有機材料的合併，" Zahirul Islam 說，Argonne X 光科學部門中的科學家，"那形成一種完全一致的（coherent）、在三維尺度上有條理的結晶體。一般來說，無機與有機材料無法良好搭配作用，不過在此它們卻能合作無間，展現出這些卓越特性。"

研究中的材料由有機與無機層交替形成，它們在一起能產生這些效應：其中一種收縮時，另一個種則膨脹，而總效應等於 0。

"這項研究提出一種新穎途徑，在奈米尺度下以一種有條理的方式來組合奈米尺度單元，設計出這種熱膨脹 -- 從正到負，包括零，" NREL 的主要研究者 Yong Zhang 表示。"這種構想只在一維調整熱膨脹上被證明過，而且研究也只限於一到二種材料。接下去，我們想要將此構想延伸到更高的維度（換言之，超過一維以上的 ZTE），並探索更多無機--有機的組合。"

這些混種材料在高效能半導體雷射、超薄且有彈性之太陽能電池與光發射及偵測裝置中大有可為。有可能「摻雜」這種材料（添加少量其他化合物）以形成透明導電材料，Zhang 說。

雖然化學與熱穩定性是大部分混種的二大主要問題，不過此研究當中的混種奈米結構在空氣中卻異常穩定，甚至在紫外光雷射的照射下亦然。

"不僅只有晶體結構仍保持不變，" Zhang 說，"連它們的電子與光學特性在空氣中暴露數年後，或加熱到攝氏 200 度以上都依然維持不變，這樣的特徵可歸因於遍及此結構的強烈共價鍵。

該研究的論文發表在 11/19 當期的 Physical Review Letters 上。

※ 相關報導：

＊ Zero Thermal Expansion in a Nanostructured Inorganic-Organic Hybrid Crystal
http://link.aps.org/abstract/PRL/v99/e215901

Y. Zhang, Z. Islam, Y. Ren, P. A. Parilla, S. P. Ahrenkiel,
P. L. Lee, A. Mascarenhas, M. J. McNevin, I. Naumov,
H.-X. Fu, X.-Y. Huang, and J. Li
Phys. Rev. Lett. 99, 215901 (2007)
doi:10.1103/PhysRevLett.99.215901