Le NIMS et le Tokyo Institute of Technological know-how ont conjointement découvert que le composé chimique Ca3SiO est un semi-conducteur à changeover directe, ce qui en fait un composant de détection infrarouge et LED infrarouge potentiellement prometteur. Ce composé – composé de calcium, de silicium et d’oxygène – est peu coûteux à produire et non toxique. De nombreux semi-conducteurs infrarouges existants contiennent des éléments chimiques toxiques, tels que le cadmium et le tellure. Ca3SiO peut être utilisé pour développer des semi-conducteurs dans le proche infrarouge moins coûteux et plus sûrs.
Les longueurs d’onde infrarouges ont été utilisées à de nombreuses fins, y compris les communications par fibre optique, la output d’énergie photovoltaïque et les dispositifs de vision nocturne. Les semi-conducteurs existants capables d’émettre un rayonnement infrarouge (c’est-à-dire les semi-conducteurs à changeover directe) contiennent des composés chimiques toxiques, tels que le tellurure de mercure-cadmium et l’arséniure de gallium. Les semi-conducteurs infrarouges exempts d’éléments chimiques toxiques sont généralement incapables d’émettre un rayonnement infrarouge (c’est-à-dire des semi-conducteurs à changeover indirecte). Il est souhaitable de développer des dispositifs infrarouges hautes performances utilisant des semi-conducteurs à changeover directe non toxiques avec une bande interdite dans la gamme infrarouge.
Classiquement, les propriétés semi-conductrices des matériaux, telles que la bande interdite d’énergie, ont été contrôlées en combinant deux éléments chimiques qui sont situés sur le côté gauche et droit des éléments du groupe IV, tels que III et V ou II et VI. Dans cette stratégie conventionnelle, la bande interdite d’énergie se rétrécit en utilisant des éléments as well as lourds: par conséquent, cette stratégie a conduit au développement de semi-conducteurs à changeover directe composés d’éléments toxiques, tels que le tellurure de mercure cadmium et l’arséniure de gallium. Pour découvrir des semi-conducteurs infrarouges exempts d’éléments toxiques, ce groupe de recherche a adopté une approche non conventionnelle : ils se sont concentrés sur les constructions cristallines dans lesquelles les atomes de silicium se comportent comme des anions tétravalents plutôt que comme leur état cationique tétravalent typical. Le groupe a finalement choisi des oxysilicides (par exemple, Ca3SiO) et des oxygermanides à structure cristalline de pérovskite inverse, les a synthétisés, évalué leurs propriétés physiques et effectué des calculs théoriques. Ces procédés ont révélé que ces composés présentent une très petite bande interdite d’environ, 9 eV à une longueur d’onde de 1,4 µm, indiquant leur grand potentiel à servir de semi-conducteurs à transition directe. Ces composés avec une petite bande interdite directe peuvent potentiellement être efficaces pour absorber, détecter et émettre de longues longueurs d’onde infrarouges même lorsqu’ils sont transformés en films minces, ce qui en fait des matériaux semi-conducteurs dans le proche infrarouge très prometteurs à utiliser dans les sources infrarouges (par exemple, les LED). et détecteurs.
Dans le cadre de recherches futures, nous prévoyons de développer des LED infrarouges à haute intensité et des détecteurs infrarouges très sensibles en synthétisant ces composés sous forme de grands monocristaux, en développant des processus de croissance de couches minces et en contrôlant leurs propriétés physiques par dopage et en les transformant en solutions solides. Si ces attempts portent leurs fruits, les éléments chimiques toxiques actuellement utilisés dans les semi-conducteurs dans le proche infrarouge existants peuvent être remplacés par des éléments non toxiques.