科学家研发原子级超薄材料 可提高各种光技术效率

相机、太阳能面板、生物传感器和光纤等技术都依赖光电探测器，或将光转化为电的传感器。随着其组件半导体芯片尺寸的缩小，光电探测器正变得更加高效和实惠。然而，目前的材料和制造方法限制了小型化，迫使人们不得不在尺寸和性能之间做出权衡。

传统的半导体芯片制造工艺有许多限制和缺点。芯片是通过在晶圆顶部生长半导体薄膜来制造的，其方式是使薄膜的晶体结构与基片晶圆的晶体结构一致。这使得薄膜难以转移到其他基底材料上，降低了其适用性。

硅作为半导体芯片的首选材料仍然无处不在，然而，它越薄，作为光子结构的表现就越差，使它在光电探测器中不太理想。其他表现比硅更好的极薄层材料仍然需要一定的厚度来与光互动，因此如何确定最佳光子材料和在光电探测器半导体芯片中运行的关键厚度是非常关键的。

在宾夕法尼亚州工程师 Deep Jariwala（电气和系统工程系助理教授）、Pawan Kumar 和 Jason Lynch（他实验室的一名博士后研究员和一名博士生）领导下，科研团队近期在《自然-纳米技术》上发表了一项研究，目的就是为了实现这一目标。

材料科学与工程系教授Eric Stach与他的博士后Surendra Anantharaman、博士生 Huiqin Zhang 和本科生 Francisco Barrera 也对这项工作做出了贡献。这项合作研究还包括宾夕法尼亚州立大学、AIXTRON爱思强、加州大学洛杉矶分校、空军研究实验室和布鲁克海文国家实验室的研究人员，并主要由陆军研究实验室资助。他们的论文描述了一种制造原子级薄的超晶格或半导体薄膜的新方法，这些超晶格或半导体薄膜具有高度的光辐射性。

1 个原子厚度的材料通常采取晶格（lattice）的形式，或由几何排列的原子组成的层，形成每种材料特有的图案。超晶格是由不同材料的晶格相互堆叠而成的。超晶格具有全新的光学、化学和物理特性，这使得它们可以适应特定的应用，如光敏元件和其他传感器。

宾夕法尼亚工程公司的团队制作了一个钨和硫（WS2）的超级晶格，有 5 个原子厚。

Kumar 表示：“在使用模拟进行了两年的研究，告知我们超晶格将如何与环境互动之后，我们已经准备好通过实验来构建超晶格。因为传统的超晶格是直接在所需的基底上生长的，它们往往有数百万个原子的厚度，而且很难转移到其他材料基底上。我们与行业伙伴合作，以确保我们的原子薄超晶格的生长是可扩展的，适用于许多不同的材料”。

他们在两英寸的晶圆上生长了单层原子，或称晶格，然后溶解了基底，这使得晶格可以转移到任何需要的材料上，在他们的案例中是蓝宝石。此外，他们的晶格是用原子的重复单元在一个方向上排列创建的，以使超晶格成为二维的、紧凑的和高效的。

他继续说道：“我们的设计也是可扩展的。我们能够用我们的方法创造出表面积以厘米为单位的超晶格，与目前正在生产的微米级硅超晶格相比，这是一个重大改进。这种可扩展性是可能的，因为我们的超晶格的厚度均匀，这使得制造过程简单且可重复。可扩展性对于能够将我们的超晶格放在行业标准的四英寸芯片上非常重要”。

他们的超晶格设计不仅非常薄，使其重量轻，成本低，而且还可以发射光，而不仅仅是检测光。

Lynch 表示：“我们在超晶格中使用一种新型结构，涉及激子-极子，这是一种由一半物质和一半光组成的准态粒子。光是很难控制的，但我们可以控制物质，我们发现通过操纵超晶格的形状，我们可以间接地控制从它发出的光。这意味着我们的超晶格可以成为一个光源。这项技术有可能大大改善自动驾驶汽车、面部识别和计算机视觉中的激光雷达系统”。