基于SiGeSn合金的下一代紅外成像技術(shù)概述

什么是SiGeSn合金?它有什么作用?銅和鋅、銅和錫、鐵和碳等化學(xué)元素的組合可以分別制得黃銅、青銅和鋼金屬合金，獲得獨(dú)特的性質(zhì)，例如可用于特定目的的高強(qiáng)度和耐腐蝕性等。

作為美國(guó)國(guó)防部MURI項(xiàng)目的一部分，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)張永航(Yong-Hang Zhang)教授和Andrew Chizmeshya副教授正在這個(gè)方向上進(jìn)行探索，他們將研究硅鍺錫(SiGeSn)合金的基本材料特性，用于開發(fā)更輕、更快、更節(jié)能的下一代紅外成像技術(shù)。美國(guó)國(guó)防部MURI計(jì)劃支持多學(xué)科大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，旨在更好地理解或?qū)崿F(xiàn)以前從未做過(guò)的基礎(chǔ)研究。以前的很多MURI項(xiàng)目取得了重大突破，持續(xù)推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步，促進(jìn)了美國(guó)高校研究生在前沿領(lǐng)域的開拓。

2019年，美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了24個(gè)備受矚目且競(jìng)爭(zhēng)激烈的MURI項(xiàng)目，資助總額高達(dá)1.69億美元。張教授和Chizmeshya教授將與阿肯色大學(xué)牽頭的研究機(jī)構(gòu)以及達(dá)特茅斯大學(xué)、馬薩諸塞大學(xué)、波士頓大學(xué)和喬治華盛頓大學(xué)合作，分享750萬(wàn)美元MURI項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)中的約200萬(wàn)美元資金。

“MURI計(jì)劃是美國(guó)國(guó)防部為大學(xué)教授提供的最具競(jìng)爭(zhēng)力且最激動(dòng)人心的項(xiàng)目之一，”張教授說(shuō)，“這是我在半導(dǎo)體光電子材料和器件相關(guān)領(lǐng)域的第四個(gè)MURI項(xiàng)目，表明了亞利桑那州立大學(xué)在光子學(xué)領(lǐng)域的研究實(shí)力。我們正在努力解決一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的課題，所以我們需要卷起袖子加油干了?！?

下一代紅外成像技術(shù)

半導(dǎo)體材料作為激光器、太陽(yáng)能電池和晶體管等電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，在紅外成像應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)重要地位。目前最先進(jìn)的紅外技術(shù)通常采用碲鎘汞半導(dǎo)體合金或元素周期表Ⅲ-Ⅴ族元素制成，使用戶無(wú)論白天或黑夜都能獲得視野，并在軍事防御系統(tǒng)和商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。雖然紅外設(shè)備在很多應(yīng)用領(lǐng)域具有提高可視性的巨大潛力，但是當(dāng)前采用的半導(dǎo)體合金技術(shù)由于復(fù)雜的制造過(guò)程、低效的生產(chǎn)工藝、較差的一致性和高制造成本，而在性能上受到限制。這些限制阻礙了紅外技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛使用。

“SiGeSn合金是一種相對(duì)較新的半導(dǎo)體材料，可用于開發(fā)光電通信和紅外應(yīng)用的下一代高速探測(cè)器、發(fā)射器和調(diào)制器，”亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院化學(xué)副教授Chizmeshya說(shuō)，“它們主要由鍺組成，但巧妙地添加硅和錫可以獲得新的電學(xué)特性，例如直接帶隙等?！?

類似于壘磚砌墻，研究人員可以添加連續(xù)的半導(dǎo)體材料層來(lái)制造工作器件，例如智能手機(jī)芯片。SiGeSn合金可以進(jìn)行連續(xù)的多層制造，從而產(chǎn)生新的半導(dǎo)體架構(gòu)，獲得過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能，例如最長(zhǎng)范圍的紅外探測(cè)?！叭绻覀兡軌蚋倪M(jìn)SiGeSn材料，并將其放在大規(guī)模集成的硅基板上，整個(gè)系統(tǒng)可以以非常低的成本獲得優(yōu)于當(dāng)前所有紅外技術(shù)的性能，”張教授說(shuō)，“它可以讓人們看到人眼看不到的紅外光?！?

為了設(shè)計(jì)、制造并驗(yàn)證SiGeSn作為一種新型紅外半導(dǎo)體替代材料，MURI項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須克服一系列材料挑戰(zhàn)。它們?nèi)绾芜_(dá)到中波紅外波長(zhǎng)?一旦實(shí)現(xiàn)，如何改善材料的性能?當(dāng)SiGeSn材料系統(tǒng)表現(xiàn)出質(zhì)量和穩(wěn)定性時(shí)，如何使用它來(lái)制造高性能器件?此外，Chizmeshya表示SiGeSn合金的熱力學(xué)數(shù)據(jù)非常缺乏。因此，研究團(tuán)隊(duì)將開發(fā)并應(yīng)用專門的、全新的熱力學(xué)框架，以揭示影響SiGeSn合金穩(wěn)定性的源頭，并最終繪制出SiGeSn系統(tǒng)的相圖。這種方法還可以在以后應(yīng)用于其它復(fù)雜的合金系統(tǒng)。

如果項(xiàng)目成功，這種采用SiGeSn合金的低成本和高性能紅外技術(shù)將對(duì)美國(guó)國(guó)防部帶來(lái)重大影響。例如，飛機(jī)可配備更高效、更具成本效益的紅外熱成像設(shè)備，以在能見(jiàn)度較差的情況下改善飛行員的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視能力。此外，士兵和國(guó)防車輛可配備地基視覺(jué)系統(tǒng)，以更高的準(zhǔn)確性和精確度檢測(cè)威脅和漏洞。

當(dāng)然，SiGeSn合金的應(yīng)用前景將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國(guó)防領(lǐng)域。基于SiGeSn合金的紅外技術(shù)可以使醫(yī)療保健、監(jiān)視、搜救、自動(dòng)駕駛、氣象學(xué)和氣候?qū)W等應(yīng)用受益。張教授預(yù)計(jì)基于SiGeSn合金的低成本夜視技術(shù)將在不到10年內(nèi)廣泛應(yīng)用于汽車、卡車和其他自動(dòng)駕駛車輛。得益于此，由黑暗、雨霧或沙塵暴等能見(jiàn)度有限而導(dǎo)致的車禍將大大減少，從而挽救更多的生命，并提高車輛行駛的安全性。

十年以上SiGeSn合金專業(yè)研究

該MURI項(xiàng)目聚集了一支在SiGeSn合金前沿領(lǐng)域工作多年的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，包括化學(xué)家、土木工程師、電氣工程師、數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，他們將利用積累多年的紅外光子學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)，以深入研究SiGeSn合金及其低成本大規(guī)模制造的基本材料和器件問(wèn)題。

Shui-Qing (Fisher) Yu是阿肯色大學(xué)的首席研究員，他在開發(fā)采用SiGeSn合金的光電器件方面擁有多年的專業(yè)積累，如激光器、光電探測(cè)器和紅外相機(jī)等。他還研究了SiGeSn合金在提高材料質(zhì)量和降低器件成本方面的潛力。Yu于2005年獲得亞利桑那州立大學(xué)電氣工程博士學(xué)位，因其在張教授研究小組的卓越工作而獲得著名的富爾頓學(xué)院Palais杰出博士生獎(jiǎng)。

張教授的研究涵蓋了廣泛的光電子領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)及其結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，以及新型半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，張教授將更深入的探究SiGeSn材料的外延生長(zhǎng)技術(shù)，確定其質(zhì)量和穩(wěn)定性，并針對(duì)紅外應(yīng)用的SiGeSn合金開發(fā)量身定制的創(chuàng)新器件架構(gòu)。張教授作為實(shí)驗(yàn)主義者，他的專業(yè)積累將很好的與其合作者、理論派Chizmeshya教授配合。

Chizmeshya教授在理論固態(tài)電子學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)方法方面的專業(yè)知識(shí)能夠指導(dǎo)新合金的設(shè)計(jì)，并闡明其熱力學(xué)、電子學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。他將使用超級(jí)計(jì)算機(jī)基于量子力學(xué)的模擬仿真，研究SiGeSn合金化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)?！瓣P(guān)于這個(gè)MURI項(xiàng)目的研究人員已經(jīng)合作或分別在SiGeSn合金的各個(gè)方面進(jìn)行了十多年的合作，”Chizmeshya教授說(shuō)，“我們將首次將個(gè)人的專業(yè)積累和豐富的集體經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)?！币陨暇褪腔赟iGeSn合金的下一代紅外成像技術(shù)，希望能給大家?guī)椭?