Advanced Materials:高压对含杂质的砷化硼(BAs)电子能带结构的调节

随着集成电路晶体管密度的大幅度提升,热效应的管理也变得越来越重要,科学家们尝试合成不同的高热导材料,例如钻石,石墨烯等,提高芯片的散热效率。近期,一种新的三五族化合物半导体,砷化硼,被合成成功。由于其较宽的声学声子和光学声子带隙限制了声子的散射,进而导致了其几乎可以和钻石媲美的超高热导。更重要的是,砷化硼本身是一种半导体材料,而且其载流子具有相当高的迁移率,可以应用在电子/光学器件中。但由于砷化硼的生长会不可避免的引入杂质,之前的研究表明会对其热学性质产生很大的影响,深入研究其电子带隙和杂质能级的性质,并通过应力/应变改变其本身性质可以为其在电子光学器件的应用中提供更多的指导。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校机械工程系王亚国教授及其合作者利用钻石对顶砧技术,在砷化硼上施加GPa级压强,通过光致发光技术探测应力对其电子能带和掺杂能级的改变。

砷化硼的生长通常会伴随着相当浓度的杂质,这些杂质会严重影响其光电热学的性质。该研究团队首先利用低温光致发光技术和计算机模拟,发现了在砷化硼的电子带隙中,很容易存在硅和碳和施子和受子能级,其原因是这两种杂质较低的形成能。这两种元素的施子和受子能级很容易互相结合,进而发出小于带隙能量的光子。钻石对顶砧技术源于其在地球物理领域的应用,去模仿地壳地幔中的高压环境。近些年,此技术被广泛的应用在材料科学领域,利用压强产生应变,进而改变材料自身的性质。该研究团队利用钻石对顶砧施加高达20GPa的压强,并结合计算机模拟发现,砷化硼的电子能带的各高对称点都表现出了很高的应力调节性。其中,其紫外光区的直接带隙和可见光区的间接带隙随压强的增大呈现相反的依赖,前者变大而后者缩小。另外,硅和碳杂质的施子电离能会随着压强变小,改变其对声子和载流子的散射,进而影响电学和热学的输运特性。结合砷化硼本身的高热导,宽带隙,高迁移率和其在应力下的灵活调节,其可视为未来光电器件的理想材料。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.202001942)上。