基于SiGeSn合金的下一代紅外成像技術概述

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

作為美國國防部MURI項目的一部分，美國亞利桑那州立大學張永航(Yong-Hang Zhang)教授和Andrew Chizmeshya副教授正在這個方向上進行探索，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。美國國防部MURI計劃支持多學科大學研究團隊，旨在更好地理解或實現(xiàn)以前從未做過的基礎研究。以前的很多MURI項目取得了重大突破，持續(xù)推動了科學進步，促進了美國高校研究生在前沿領域的開拓。

2019年，美國國防部發(fā)布了24個備受矚目且競爭激烈的MURI項目，資助總額高達1.69億美元。張教授和Chizmeshya教授將與阿肯色大學牽頭的研究機構以及達特茅斯大學、馬薩諸塞大學、波士頓大學和喬治華盛頓大學合作，分享750萬美元MURI項目經(jīng)費中的約200萬美元資金。

“MURI計劃是美國國防部為大學教授提供的最具競爭力且最激動人心的項目之一，”張教授說，“這是我在半導體光電子材料和器件相關領域的第四個MURI項目，表明了亞利桑那州立大學在光子學領域的研究實力。我們正在努力解決一項非常具有挑戰(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

半導體材料作為激光器、太陽能電池和晶體管等電子技術的重要基礎，在紅外成像應用領域占據(jù)重要地位。目前最先進的紅外技術通常采用碲鎘汞半導體合金或元素周期表Ⅲ-Ⅴ族元素制成，使用戶無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)應用等領域發(fā)揮著重要作用。雖然紅外設備在很多應用領域具有提高可視性的巨大潛力，但是當前采用的半導體合金技術由于復雜的制造過程、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在軍事和民用領域的廣泛使用。

“SiGeSn合金是一種相對較新的半導體材料，可用于開發(fā)光電通信和紅外應用的下一代高速探測器、發(fā)射器和調制器，”亞利桑那州立大學分子科學學院化學副教授Chizmeshya說，“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)的半導體材料層來制造工作器件，例如智能手機芯片。SiGeSn合金可以進行連續(xù)的多層制造，從而產(chǎn)生新的半導體架構，獲得過去無法實現(xiàn)的性能，例如最長范圍的紅外探測?！叭绻覀兡軌蚋倪MSiGeSn材料，并將其放在大規(guī)模集成的硅基板上，整個系統(tǒng)可以以非常低的成本獲得優(yōu)于當前所有紅外技術的性能，”張教授說，“它可以讓人們看到人眼看不到的紅外光?！?

為了設計、制造并驗證SiGeSn作為一種新型紅外半導體替代材料，MURI項目團隊必須克服一系列材料挑戰(zhàn)。它們如何達到中波紅外波長?一旦實現(xiàn)，如何改善材料的性能?當SiGeSn材料系統(tǒng)表現(xiàn)出質量和穩(wěn)定性時，如何使用它來制造高性能器件?此外，Chizmeshya表示SiGeSn合金的熱力學數(shù)據(jù)非常缺乏。因此，研究團隊將開發(fā)并應用專門的、全新的熱力學框架，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用于其它復雜的合金系統(tǒng)。

如果項目成功，這種采用SiGeSn合金的低成本和高性能紅外技術將對美國國防部帶來重大影響。例如，飛機可配備更高效、更具成本效益的紅外熱成像設備，以在能見度較差的情況下改善飛行員的戰(zhàn)場監(jiān)視能力。此外，士兵和國防車輛可配備地基視覺系統(tǒng)，以更高的準確性和精確度檢測威脅和漏洞。

當然，SiGeSn合金的應用前景將遠遠超出國防領域?；赟iGeSn合金的紅外技術可以使醫(yī)療保健、監(jiān)視、搜救、自動駕駛、氣象學和氣候學等應用受益。張教授預計基于SiGeSn合金的低成本夜視技術將在不到10年內廣泛應用于汽車、卡車和其他自動駕駛車輛。得益于此，由黑暗、雨霧或沙塵暴等能見度有限而導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項目聚集了一支在SiGeSn合金前沿領域工作多年的跨學科研究團隊，包括化學家、土木工程師、電氣工程師、數(shù)學家和物理學家，他們將利用積累多年的紅外光子學研究經(jīng)驗，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題。

Shui-Qing (Fisher) Yu是阿肯色大學的首席研究員，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、光電探測器和紅外相機等。他還研究了SiGeSn合金在提高材料質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電氣工程博士學位，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院Palais杰出博士生獎。

張教授的研究涵蓋了廣泛的光電子領域，包括半導體材料的生長及其結構和光學特性，以及新型半導體器件的設計、制造和測試。對于這個項目，張教授將更深入的探究SiGeSn材料的外延生長技術，確定其質量和穩(wěn)定性，并針對紅外應用的SiGeSn合金開發(fā)量身定制的創(chuàng)新器件架構。張教授作為實驗主義者，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、化學和材料科學方法方面的專業(yè)知識能夠指導新合金的設計，并闡明其熱力學、電子學和結構特性。他將使用超級計算機基于量子力學的模擬仿真，研究SiGeSn合金化學氣相沉積生長過程的關鍵點?！瓣P于這個MURI項目的研究人員已經(jīng)合作或分別在SiGeSn合金的各個方面進行了十多年的合作，”Chizmeshya教授說，“我們將首次將個人的專業(yè)積累和豐富的集體經(jīng)驗結合起來?！币陨暇褪腔赟iGeSn合金的下一代紅外成像技術，希望能給大家?guī)椭?