半導體材料膠體金剛石問世!

2020-12-01 電子發燒友

半導體材料膠體金剛石問世！

Nature自然科研 發表於 2020-11-17 16:26:32

長期以來，科學家一直在尋找一種材料，能讓光的行為像半導體中的電子一樣。現在，科學家似乎找到了一種能大規模生長這種材料的方法，並有望推動計算領域的進步。

物理學家Eli Yablonovitch曾在1987年預測了一種叫做「光子帶隙晶體」（photonic bandgap crystal，PBC）的材料，可以像微電路處理電子信號一樣處理光子［1］。從那之後，研究人員微細加工出了一維和二維版本的PBC［2］，並找到了若干應用場景。雖然可以通過直接微細加工製造出一些小型的PBC［3］，但是大型的三維PBC材料仍然可見不可及，以至於它潛在的應用——新一代計算機等——也沒能出現。何明昕等人在《自然》上發文報告［4］，他們生長出了一種蛋白石樣晶體，擁有PBC所要求的罕見結構：透明微粒子像金剛石中的碳原子一樣排列。若要構建可用的PBC，需要把這些材料當成模具，從而形成瑞士奶酪一樣的「反蛋白石」結構——在當前晶體包含粒子的地方形成空洞。

為了解釋PBC和半導體這類材料的物理性質，想像你正在一片犁出溝的土地上奔跑，如果你的步長和溝的間距一致，你可以選擇兩個速度中的一個：每次踩在溝的頂部，這樣跑得比較快；每次踏在泥濘的溝裡，這樣跑得比較慢。類似地，當一道波穿越疏密「溝」相間的周期性介質時，它同樣有兩種傳播方式：波峰踩在介質的峰上，或是波峰踏進介質的谷底。一般來說，這樣的波有兩種可能的能量，分別對應這兩種傳播方式；任何波的能量都不可能取到二者之間的值。

在三維晶體裡，這些溝的間距和間隙能量取決于波的傳播方向與晶格軸之間的夾角。但對於某些晶體來說，在一段波能量範圍內，波在任何方向上都無法傳播，這段能隙也被稱為「帶隙」（bandgap）。在矽晶體半導體中，波就是電子，帶隙意味著特定能量的電子不可能存在，電晶體一類的元件便應運而生——這種小開關在現代電子器件中無處不在。

圖1 | 生長蛋白石樣晶體，該晶體具有研究人員長期追求的類似於金剛石的結構。a，何明昕等人［4］合成了一種微觀塑性粒子：四個球體合併成一個四面體形狀，每個面的中心都有一塊凹陷的粘性貼片。圖中的部分粘性貼片被標成了藍色。b，當懸浮在水中的時候，這些粒子之間就會由粘性貼片粘在一起，自發形成蛋白石樣的有序材料，而這些粒子的排列也類似於晶體中原子的排列方式。在圖中所示的晶體中，這些粒子模仿的是金剛石中碳原子的排列。比例尺是1µm。　　Yablonovitch從理論上證明了光波也有類似的帶隙現象，但這種現象只存在於少數與金剛石晶格相似的晶體結構中，而且必須由特定透明材料製成的微觀粒子構成。碰巧的是，這種尺度的微粒子通常會自發排列成類似的有序結構，這種結構被稱為膠體晶體（colloidal crystal）。事實上，蛋白石就是自然形成的矽粒子化石膠體晶體，而蛋白石所發出的光澤就是源於上面提到的能隙。當光線射到蛋白石上，一些光子的能量（對應一種顏色）正好處於帶隙之中。這種光子無法進入晶體，便達到了近100%的反射率。帶隙能量（以及反射的顏色）取決於入射光的方向，給了蛋白石特有的「火焰」色。

上世紀90年代，人們樂觀地認為有一種簡單的方法能製造出類似金剛石的膠體晶體，但事實上，需要二十多年的積澱和多次技術革新［5］，才讓何明昕等人的成果有了實現的可能。在金剛石晶格中，每個粒子都和四個最近的相鄰粒子等距相連。但要形成金剛石，每個粒子只與四個相鄰粒子相連是不夠的。當兩個粒子接近時，它們還必須旋轉到正確的角度，這樣和它們相連的其他六個粒子才能達到正確的相對取向。

為完成這一艱難操作，何明昕等人合成了一種有點像充氣動物氣球的微觀塑性「積木」。每塊積木由四個球體構成一個四面體。四面體每個表面中央都有一塊凹陷的粘性貼片（圖1a）。當這些積木懸浮一滴水中，通過粘性貼片連接起來的積木會被迫按照需要的角度排列。於是，這些粒子就能自發組成高度有序、穩定的晶體，並具有研究人員一直夢寐以求的金剛石結構（圖1b）。

作者目前合成出的晶體僅有約10萬個粒子，重量不到1微克。不過，將他們的工藝推廣到大規模應當沒有什麼困難。到那時，只要用化學方法向這些晶體的空隙中填滿純矽（對應紅外線）或二氧化鈦（對應可見光），並將這些粒子溶解掉就可以了。

PBC最令人激動的一種潛在應用是量子計算機。在量子計算機裡，經典計算機儲存0或1的數字比特變成了可以同時取0和1的量子比特（qubit）。這種替代讓密碼破譯時遇到困難的許多組合問題可以用量子比特快速解決。建造實用的量子計算機的挑戰在於如何把許多量子比特連接起來，這通常會用到光學信號，此外還要將量子比特隔離開來，以防它們被外界的幹擾打亂。

在PBC微電路中繞一圈光子能解決第一個問題，而且二維PBC已經被用來建造量子裝置的原型機了［6］。但是因為目前的量子光學電路板都是很薄的二維片，因此性能也會受限——光子可能會漏出來，外界的幹擾也可能漏進去。同時解決這兩個問題有一個簡單辦法，那就是用兩片三維PBC板夾住這些電路。從更大的角度看，大型PBC還能讓各種技術用於製造大型量子系統［7］、利用光線進行控制，以及與經典電子器件的接口［8］。PBC技術的最終潛力和應用場景可能要看我們的想像力到底有多豐富了。

責任編輯：PSY

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