據(jù)麥姆斯咨詢報道，日本國家材料研究所（NIMS）和東京工業(yè)大學聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了一種化合物：硅酸三鈣（Ca3SiO），這是一種直接躍遷半導體，未來有望成為紅外光源和紅外探測器的制備材料。這種化合物由鈣、硅和氧組成，生產(chǎn)成本低廉，并且無毒。現(xiàn)有的許多紅外半導體材料含有有毒的化學元素，如鎘（Cd）、碲（Te）。Ca3SiO可用于開發(fā)成本更低、更安全的近紅外半導體器件。

紅外光是光纖通信、光伏發(fā)電和夜視設備等應用的常用波段。現(xiàn)有能夠發(fā)射紅外輻射的半導體（即直接躍遷半導體）如碲鎘汞（MCT）和砷化鎵（GaAs），含有有毒物質。不含有毒化學元素的紅外半導體一般不能發(fā)射紅外輻射（即間接躍遷半導體）。人們希望使用能帶間隙在紅外波段范圍內的無毒、直接躍遷半導體進行高性能紅外器件開發(fā)。

通常情況下，材料的半導體特性，如能帶間隙，由兩種化學元素共同決定，如三五族或四六族化合物分別由三價和五價、四價和六價元素決定。在這種組合中，如果添加較重的元素，能帶間隙變得更小?；诖怂悸?，開發(fā)出了由有毒元素組成的直接躍遷半導體，如碲鎘汞（MCT）和砷化鎵（GaAs）。為了發(fā)現(xiàn)不含有毒元素的紅外半導體，這個研究小組采取了一種非常規(guī)的方法：尋找一種晶體結構，其中硅的行為是四價陰離子，而不是常規(guī)的四價陽離子狀態(tài)。小組最終選擇了氧硅化合物（例如Ca3SiO）和反鈣鈦礦晶體結構的氧化鍺進行合成，評估其物理性質，并進行理論計算。結果表明，這類化合物在波長為1.4 μm時表現(xiàn)出大約0.9 eV的極小能帶間隙，顯示了它們成為直接躍遷半導體的巨大潛力。這種化合物即使加工成薄膜，也有可能有效地吸收、探測和發(fā)射長波紅外光，非常有希望用于制備紅外光源（例如紅外LED）和紅外探測器的半導體材料。

在未來的研究中，研究人員計劃開發(fā)高強度紅外LED和高靈敏度紅外探測器，通過合成大單晶形式的化合物，開發(fā)薄膜生長工藝，并通過摻雜控制其物理特性，取得固態(tài)解決方案。如果這些努力取得成功，目前用于現(xiàn)有近紅外半導體的有毒化學元素可能會被無毒的化學元素所取代。

該項目由日本國家材料研究所功能材料研究中心主任Naoki Ohashi和倫敦大學學院（UCL）教授Alexander Shluger組成的研究小組完成。這項工作得到了MEXT元素戰(zhàn)略倡議和強強合作計劃（JSPS Core-to-Core Program）的支持。

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