計算材料篩選和目標實驗揭示了有前景的氮化物半導體

材料牛注：目前，東京技術研究所和京都大學的研究者們通過計算模擬，篩選出在光電應用方面很有前景的氮化物半導體，其中一種為高壓合成的氮化鈣鋅。

研究者們通過模擬發現了之前未發現的在光電應用方面很有前景的半導體。其中氮化物通過高壓合成成功的制造出來，并可發出紅光。

在最近的一次報道中，日本研究者談到，新的半導體材料的發現是一個重要的科技議題；日益復雜的電子設備，如智能手機和筆記本電腦，要求半導體有更廣泛的性質。目前，東京技術研究所和京都大學的Fumiyasu Oba和同事們通過計算篩選一組潛在半導體代替者的化合物。該研究發現了十一種先前未報道的材料，包括很有前景的化合物氮化鈣鋅（CaZn2N2）。

研究者們將他們的研究限定在氮化物，因為其往往具有化學穩定性且易于制備。氮也是一種來源廣泛、環境友好的元素，但是目前，氮化物在工業中的應用很大程度上局限于鎵和銦化合物。基于電子結構的相似性，研究者們認為三元鋅氮化物將會是該領域新一代半導體中很有前景的化合物。

研究者們強調先前未報道的半導體CaZn2N2，應該有著高的導電性和與光有著強烈的相互作用。這些性質是光電應用中（如發光二極管和太陽能電池）性能優良的標志。這種材料也是由地球上豐富的元素制得，所以相對來說生產成本低。

該材料的合成使用了高壓技術證實了之前假設的性質，同時揭示了在室溫下出現的紅光；從而證明了該研究方法的正確性。該文章也表明其他地球豐富的材料，如鈣鎂氮化物，可用于調整CaZn2N2的電性能，進一步增加這種材料在設備中使用的合格性。

正如Oba和同事們總結的那樣，“目前的研究說明通過目標實驗中前沿計算篩選可加速材料的發現。”

現存半導體的局限性

從較小程度上來說，硅和鍺是統治現代生活的幾乎所有電子設備的基礎。然而，這些材料并不適用于光電方面，如用于電視或手機屏幕的發光二極管。在這里，氮化鎵（GaN）和氮化銦（InN）材料目前是主宰，但是新的氮化物的發現可能為新的應用創造條件。

在Oba和同事們在新的化合物中找到的特征中最重要的是高的導電性，這對于大多數半導體的應用是至關重要的。GaN和InN有著空間上散布軌道特征，從而有著高的導電性、應用廣泛。研究者們考慮與GaN和InN有著相似性能的材料，以尋找新的行業相關的半導體。氮化鋅具有這些希望得到的性能，但是制備困難。因此，研究者們決定篩選包含鋅、氮和第三種元素的三代化合物。這種方法發現了十一種新材料，包括現存的CaZn2N2。

地球富含的元素

稀有元素在半導體化合物中有許多有用的性能，但是很難獲得，并且其合成價格昂貴。因此，人們對可作為替代物的地球富含的材料的興趣日益增加。通過使用氮和鋅的組成物作為標準進行篩選的方法，與已知材料相比，Oba和同事們將他們發現的材料價格競爭力充分利用。

氮化鈣鋅

CaZn2N2先前并未報道，但被研究者們通過使用材料探索計算方法發現。他們預測了CaZn2N2正確的合成條件，使得新的化合物通過高壓合成法的成功合成。進一步的實驗證實該化合物有一個直接的能隙和良好的光學性能。

論文地址：Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis

原文參考地址：
Computational materials screening and targeted experiments reveal promising nitride semiconductors

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