米乐m6官方网站 使用铝基近似晶体制造半导体

准晶体（注1）中是否存在半导体是固体物理学的基本问题之一，如果是的话高性能热电材料（注2）然而，传统上，在存在许多准晶体的铝系统中，它是前体近似晶体（注3）但是没有发现半导体。这次是东京大学尖端科学研究生院，以及AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室木村教授等人是铝基近似晶体，频段工程（注 4）创建了半导体这是实现半导体准晶的突破性成果，半导体准晶有潜力拥有晶体25倍的热电性能。

准晶体已在100多种物质中被发现，并被确立为与晶体、非晶态并列的固体结构概念（表1），并荣获2011年诺贝尔化学奖。另一方面，在固态物理学最基本的分类中，材料根据其电学性质分为金属、半金属、半导体和绝缘体。然而，在原子尺度的准晶体中只发现了金属（表2），半导体或绝缘体是否存在是固态物理学的基本问题之一。

表 1。晶体、准晶体和非晶态的比较。

表 2 根据固体结构和电性能对固体进行分类。括号中的数字表示比原子尺度大一到两个数量级的准周期尺度。 “？”表明原子级半导体和绝缘体是否存在尚不清楚。

大约 70% 的一次能源（例如石油）作为废热被丢弃。可以从废热中提取电能的热电发电极具吸引力。热电性能（注5）作为一种具有高10027_10084|多穴半导体（注6）正在引起人们的注意。二十面体准晶的对称性比立方晶体高25倍，如果能够实现半导体，热电性能的功率因数也可以高25倍。

这次的Al是铝基近似晶体之一，是铝基二十面体准晶的前驱体₂₂红外线₈（图1）但在过去第一性原理计算（注7），我们注意到它具有半金属能带结构。首先，我们研究了导带底部和价带顶部电子轨道的起源。结果如图2所示，发现导带的下端由位于二十面体团簇顶点的Ir的d轨道组成，价带的上端由二十面体团簇内部由8个Al和1个Ir组成的团簇的p型轨道组成。因此，为了打开带隙，将Ir替换为d轨道能量高于Ir的Ru，并将部分Al替换为sp轨道能量低于Al₁₈硅₅茹₈的结构进行第一性原理计算。结果，带隙如预期一样变宽，形成了类似半导体的能带结构。

图 1Al22红外线8近似晶体的晶体结构。 Ir 的二十面体簇形成立方晶体。

图 2Al22红外线8和艾尔18硅5茹8近似晶体的能带结构以及导带下端和价带上端的电子轨道。 我们通过能带工程成功地打开了带隙，用Ru代替Ir，用Si代替Al。

为了通过实验证实Al可以成为半导体₁₈硅₅茹₈(阿尔_58.1硅_16.1茹_25.8)的组成的样品时，Al_67.6硅_8.9茹_23.5的单相近似晶体。当我们测量该样品的热电性能（塞贝克系数、电导率、热导率）时，根据塞贝克系数和电导率的温度依赖性，我们发现该样品是带隙约为015 eV的半导体。因此，我们在世界上首次成功地使用铝基近似晶体实验制造了半导体，这是第一性原理计算所预测但尚未通过实验实现的。

在许多铝基合金中，形成的准晶的成分与近似晶体的成分接近，因此有可能在Al-Si-Ru体系中发现半导体准晶。如果实现的话，预计一开始提到的固态物理学的基本问题之一将得到解决，并将导致更高性能热电材料的开发。 （目前仍是近似晶体，载流子密度尚未优化，因此尚未实现高热电性能。）

岩崎裕子（东京大学前沿科学研究生院材料科学系一年级博士生）
Koichi Kitahara（东京大学前沿科学研究生院材料科学系助理教授/先进操作测量技术开放创新实验室合作研究员，AIST/东京大学）
Kaoru Kimura（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/AIST/东京大学高级操作数测量技术开放创新实验室客座研究员）

杂志名称：“物理评审材料（快速沟通）” （网络版：6月7日）
论文标题：通过能带工程实验实现 Al-Si-Ru 系统中的半导体准晶近似体
作者：Yutaka Iwasaki*、Koichi Kitahara 和 Kaoru Kimura
DOI 号：101103/PhysRevMaterials3061601
（摘要网址：）开放访问网址：https://journalsapsorg/prmaterials/pdf/101103/PhysRevMaterials3061601[PDF：720KB]

（注1）准晶体

与晶体、非晶态一样属于固体结构的范畴。从200年前到35年前，只有两类：晶体，其中原子规则或周期性排列，以及非晶态，其中原子排列不规则。然而，人们发现了一种原子排列规则但没有周期性的结构，并将其命名为准晶体。它可以具有旋转对称性，例如五重对称性和二十面体对称性，这在晶体中是不允许的。表 1 显示了晶体、准晶体和非晶态的比较。此后，它主要在金属间化合物中发现，但最近也在聚合物和氧化物中发现，并且它已成为固态结构的普遍概念。 35年前首次发现它的以色列谢赫特曼教授荣获2011年诺贝尔化学奖。然而，如表2所示，原子级准晶中仅存在金属，在电学性质（这是固态物理学的基本分类）方面尚未发现半导体或绝缘体准晶。这些是否存在是固体物理学的基本问题之一。[返回参考源]

(注2)热电材料

当材料的两端之间存在温差时，会产生电压，该电压可以以电的形式提取，相反，当施加电压并有电流流动时，会在该材料中产生温差。利用后者的特性，它已被实际应用于冷却电子设备和酒窖等领域的精确温度控制。热电偶温度计由于前一种特性而已投入实际应用，但最近世界各地都在积极研究寻找具有高性能的材料用于余热发电的实际应用。[返回来源]

(注3)近似晶体

准晶体的结构是结构单元的准周期排列，例如正二十面体簇。相同簇周期性排列的晶体是近似晶体。周期越长，越接近准晶体，近似程度越高，称为近似晶体。准晶体和近似晶体具有相同的结构单元，因此它们通常由相似的成分形成。[返回来源]

（注 4）频带工程

这是一种计算能带结构（固体中电子的状态）的方法，使用第一原理计算（注释7）并使用结果来控制带隙尺寸和能带形状，以提高固体的预期用途性能。[返回参考源]

(注5)热电性能

塞贝克系数（热电动势）的平方乘以电导率所得的乘积称为输出因数，将其乘以绝对温度并除以热导率所得的乘积称为无量纲品质因数。热电发电的效率随着无量纲品质因数的增加而增加。热电动势越高越好，但为了提取电力，电导率也必须高。另外，如果热量流过材料，就不会有温差，因此热导率越低越好。[返回来源]

（注6）多口袋半导体

一般来说，随着载流子密度的增加，电导率增大，但塞贝克系数减小，而随着载流子密度的减小，塞贝克系数增大，但电导率减小，并且在最佳载流子密度下热电性能的功率因数最大化。这是当半导体带中存在一个载流子袋时的情况，但是如果存在多个载流子袋，则载流子的数量随着载流子袋的数量而增加，并且可以在不降低塞贝克系数的情况下增加电导率。对称性越高，载流子口袋的数量越多，立方晶体的对称性最高。相比之下，准晶体中可能存在二十面体对称性，其对称性比立方晶体高 25 倍，并且口袋的数量以及功率因数也可以高 25 倍。[返回来源]

(注7)第一性原理计算

这是一种通过求解量子力学方程来计算固体和分子电子态的方法，无需使用参数将其与实验值相匹配。[返回来源]