主要要點：
科學家們開發了「多元素墨水」——第一個可在低溫或室溫下加工的“高熵”半導體。
多元素墨水有望實現具有成本效益和能源效率的半導體製造。
這種新型半導體材料可能加速下一代微電子、光伏、固態照明和顯示設備的可持續生產。
半導體是幾乎所有電子設備的核心。沒有半導體，我們的電腦將無法處理和保存數據；LED（發光二極體）燈泡也將失去發光的能力。
但半導體製造需要大量的能源。從沙子（氧化矽）中形成半導體材料需要消耗大量的高熱能量，溫度達到約2,700華氏度。而提純和組裝製作半導體所需的所有原材料的過程，通常需要幾週甚至幾個月。
一種名為「多元素墨水」的新型半導體材料，可能使這一過程大大減少熱能需求，更加可持續。該材料由洛倫斯·伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）和加州大學伯克利分校的研究人員開發，並且是首個可在低溫或室溫下加工的“高熵”半導體。這一突破最近發表在《自然》雜誌上。
“傳統的半導體設備製作方法能耗高，並且是碳排放的主要來源之一，”研究的主要作者楊培東（Peidong Yang）說。楊是伯克利實驗室材料科學部的資深科學家，以及加州大學伯克利分校的化學和材料科學與工程教授。“我們的新型半導體製造方法可能為更可持續的半導體產業鋪平道路。”
這一進展利用了兩類獨特的半導體材料：由高熵半導體製成的硬合金和由晶體鹵化鉬酸鹽製成的柔軟、可靈活的材料。
高熵材料是由五種或更多不同化學元素組成的固體，這些元素在近乎相等的比例中自我組合成一個單一系統。多年來，研究人員一直希望利用高熵材料開發出能以最小能量投入自我組成的半導體材料。
「但高熵半導體的研究程度並沒有相近。我們的工作可能有助於顯著填補這一理解的空白」共同第一作者、在伯克利實驗室材料科學部和加州大學伯克利分校化學系的楊培東小組的研究生研究員江煜欣（Yuxin Jiang）說。
儘管傳統的高熵合金材料所需的加工能源遠低於矽，但仍需超過1000攝氏度（或超過1832華氏度）的高溫進行處理。由於這種巨大的能量需求，將高熵材料擴大至工業規模生產是具有挑戰性的。
為了克服這一障礙，楊和他的團隊利用了一種已經受到研究者多年關注的知名太陽能材料的獨特特性：鹵化鉬酸鹽。
鉬酸鹽可以在低溫下從溶液中輕鬆加工——從室溫到約300華氏度。這些較低的加工溫度未來可能會顯著降低半導體製造商的能源成本。
在這項新研究中，楊和他的團隊利用了這一較低能量需求，在室溫或低於室溫的條件（80攝氏度或176華氏度）下，從溶液中合成高熵鹵化鉬酸鹽單晶。
楊解釋道，由於其離子鍵結的特性，鹵化鉬酸鹽晶體結構的形成所需的能量顯著低於其他材料系統。
在伯克利實驗室的先進光源進行的實驗確認，所產生的八面體和立方八面體晶體是高熵鹵化鉬酸鹽單晶：其中一組由五種元素（SnTeReIrPt 或 ZrSnTeHfPt）構成，另一組由六種元素（SnTeReOsIrPt 或 ZrSnTeHfRePt）構成。這些晶體的直徑約為30-100微米（微米是米的百萬分之一，大約是灰塵顆粒的大小）。
這種低溫/室溫的技術可以在幾小時內生產出單晶半導體，這比傳統的半導體製造技術快得多。
“直觀來說，製作這些半導體就像是將八面體形狀的分子‘樂高’堆疊成更大的八面體單晶，”楊說。
“想像每個個別的分子樂高將在不同的波長上發光，理論上可以通過選擇不同的分子八面體樂高來設計一種發出任意顏色的半導體材料，”他解釋道。作者通過印製加州金熊隊的標誌來演示了這一概念。
在商業化準備的鹵化鉬酸鹽材料的發展中，穩定性在環境溫度下一直是一個問題，但在這項新研究的台式實驗中，高熵“多元素墨水”鹵化鉬酸鹽讓研究團隊驚訝地發現其在環境空氣中的穩定性長達至少六個月。
楊表示，多元素墨水具有多種潛在應用，特別是作為可調顏色的LED或其他固態照明設備，或用作廢熱回收的熱電材料。此外，該材料還可能作為光計算設備中的可編程元件，用於利用光進行數據傳輸或存儲。
“我們的高熵鹵化鉬酸鹽半導體晶體，通過室溫和低溫的方法，能夠無損其他必要層地整合進電子設備中，這使得電子設備的設計變得更加容易，並促進了高熵材料在電子設備中的更廣泛使用，”共同第一作者瑪利亞·福爾圭拉斯（Maria Folgueras）說，她曾是伯克利實驗室和加州大學伯克利分校楊培東小組的研究生研究員。
“可以想像，這些八面體樂高每個都可以攜帶某種‘基因’信息，就像DNA碱基對攜帶我們的遺傳信息一樣，”楊說。“如果有一天我們能對這些分子樂高半導體進行編碼和解碼，用於信息科學應用，那將是非常迷人的。”
研究人員接下來計劃繼續設計適用於固態照明和顯示應用的可持續半導體材料。
📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！
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