计算材料筛选和目标实验揭示了有前景的氮化物半导体

材料牛注：目前，东京技术研究所和京都大学的研究者们通过计算模拟，筛选出在光电应用方面很有前景的氮化物半导体，其中一种为高压合成的氮化钙锌。

研究者们通过模拟发现了之前未发现的在光电应用方面很有前景的半导体。其中氮化物通过高压合成成功的制造出来，并可发出红光。

在最近的一次报道中，日本研究者谈到，新的半导体材料的发现是一个重要的科技议题；日益复杂的电子设备，如智能手机和笔记本电脑，要求半导体有更广泛的性质。目前，东京技术研究所和京都大学的Fumiyasu Oba和同事们通过计算筛选一组潜在半导体代替者的化合物。该研究发现了十一种先前未报道的材料，包括很有前景的化合物氮化钙锌（CaZn2N2）。

研究者们将他们的研究限定在氮化物，因为其往往具有化学稳定性且易于制备。氮也是一种来源广泛、环境友好的元素，但是目前，氮化物在工业中的应用很大程度上局限于镓和铟化合物。基于电子结构的相似性，研究者们认为三元锌氮化物将会是该领域新一代半导体中很有前景的化合物。

研究者们强调先前未报道的半导体CaZn2N2，应该有着高的导电性和与光有着强烈的相互作用。这些性质是光电应用中（如发光二极管和太阳能电池）性能优良的标志。这种材料也是由地球上丰富的元素制得，所以相对来说生产成本低。

该材料的合成使用了高压技术证实了之前假设的性质，同时揭示了在室温下出现的红光；从而证明了该研究方法的正确性。该文章也表明其他地球丰富的材料，如钙镁氮化物，可用于调整CaZn2N2的电性能，进一步增加这种材料在设备中使用的合格性。

正如Oba和同事们总结的那样，“目前的研究说明通过目标实验中前沿计算筛选可加速材料的发现。”

现存半导体的局限性

从较小程度上来说，硅和锗是统治现代生活的几乎所有电子设备的基础。然而，这些材料并不适用于光电方面，如用于电视或手机屏幕的发光二极管。在这里，氮化镓（GaN）和氮化铟（InN）材料目前是主宰，但是新的氮化物的发现可能为新的应用创造条件。

在Oba和同事们在新的化合物中找到的特征中最重要的是高的导电性，这对于大多数半导体的应用是至关重要的。GaN和InN有着空间上散布轨道特征，从而有着高的导电性、应用广泛。研究者们考虑与GaN和InN有着相似性能的材料，以寻找新的行业相关的半导体。氮化锌具有这些希望得到的性能，但是制备困难。因此，研究者们决定筛选包含锌、氮和第三种元素的三代化合物。这种方法发现了十一种新材料，包括现存的CaZn2N2。

地球富含的元素

稀有元素在半导体化合物中有许多有用的性能，但是很难获得，并且其合成价格昂贵。因此，人们对可作为替代物的地球富含的材料的兴趣日益增加。通过使用氮和锌的组成物作为标准进行筛选的方法，与已知材料相比，Oba和同事们将他们发现的材料价格竞争力充分利用。

氮化钙锌

CaZn2N2先前并未报道，但被研究者们通过使用材料探索计算方法发现。他们预测了CaZn2N2正确的合成条件，使得新的化合物通过高压合成法的成功合成。进一步的实验证实该化合物有一个直接的能隙和良好的光学性能。

论文地址：Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis

原文参考地址：
Computational materials screening and targeted experiments reveal promising nitride semiconductors

感谢材料人编辑部糯米提供素材