半导体玻璃的半导体玻璃的应用前景

太阳能电池的用途可大了！例如，人造卫星安装上太阳能电池后，可以长期为卫星提供能源。现在已研制成功适合于小型轿车和飞机用的太阳能电池。安装了这种新能源的汽车和飞机不再需要其他任何燃料，无任何环境污染，可以长期使用。人造卫星、宇宙飞船更是离不开太阳能电池。将来，每幢楼房都可以安装一个小型太阳能“电站”：在楼顶铺一层半导体玻璃薄膜材料，有阳光照射时就会产生电力，把多余的电力存到蓄电池中，到了夜间或阴雨天，再由蓄电池向每个家庭供电。这样，我们做饭、取暖、洗衣、看电视，就不再需要消耗别的能源了。据测算，按现在一般水平计算，每10米2的太阳能电池每天可提供约5度电能，这些电能足够一个家庭使用一天。

值得指出的是，目前太阳能电池的造价还偏高，效率也还偏低，要大规模使用仍有困难。但是，随着科学技术的进步，许多家庭和工厂用上太阳能电池的日子已经为期不远了。

半导体玻璃的应用已十分广泛，非晶态α—Si:H太阳能电池是人们最为关注的非晶材料的应用之一。该项研究开始于20世纪70年代，到80年代α—Si:H太阳能电池的转换效率已达到10%~20%。α—Si:H太阳能电池从1984年起已不再局限于计算器、手表、干电池充电器等小型电器供电，而是开始向农田灌溉、住宅用电等电力装置发展。因而，α—Si:H太阳能电池已成为发展最快、市场潜力最大的非晶半导体器件之一。

光电复印机的心脏部件是一个圆柱形金属鼓，其上用真空蒸发法沉积的一层非晶态硒是一种半导体薄膜，它是一种光导体，通过曝光，其电子电导率大大加强。静电复印技术就是利用了非晶态硒的这种奇特的光电特性。

除此之外，半导体玻璃还广泛地应用于其他光敏器件、发光器件、场效应器件、热敏器件、电子开关与光盘等方面。

LED灯和显示器，以及高质量的太阳能电池板诞生于半导体的一场革命，它能有效地将能量转换为光，反之亦然。现在，下一代半导体材料即将问世。在一项新的研究中，研究人员发现，在他们改造照明技术和光电技术的潜力背后，隐藏着古怪的物理现象。将这些新兴所谓“混合半导体”的量子特性与其已有的进行比较，就像是将莫斯科芭蕾舞团比作千斤短跳。由乔治亚理工学院的研究人员领导的一个物理化学家团队称，由量子粒子组成的旋转团在这些新兴材料中波动，可以轻松地创造出非常理想的光电特性，这些相同的性质在现有半导体中是不现实的。

博科园-科学科普：在这些新材料中移动的粒子也参与了材料本身的量子运动，类似于舞蹈者吸引地板与他们一起跳舞。研究人员能够测量舞蹈引起的材料的模式，并将其与新兴材料的量子特性和引入材料的能量联系起来。这些见解可以帮助工程师有效地研究新型半导体。这种新兴材料能够容纳类似于舞者各种古怪的量子粒子运动，这与它在分子水平上的不寻常的灵活性直接相关，就像加入舞蹈的舞池一样。相比之下，现有半导体具有刚性的、直线排列的分子结构，这使得跳舞变成了量子粒子。研究人员检测的混合半导体被称为卤化物有机-无机钙钛矿(HOIP)，这将在底部与“混合”半导体名称一起详细解释。

“混合”半导体是将半导体中常见晶体晶格与一层具有创新d性的材料结合在一起。提升机不仅具有独特的光亮度和节能性能，而且易于生产和应用。乔治亚理工大学化学与生物化学学院的教授卡洛斯·席尔瓦说：一个令人信服的优势是，提升机是在低温下制造，并在溶液中进行处理。生产它们所需的能源要少得多，而且可以大批量生产。席尔瓦与乔治亚理工学院和意大利理工学院的Ajay Ram Srimath Kandada共同领导了这项研究。大多数半导体的小批量生产都需要很高温度，而且它们的表面很硬，但可以在起重机上涂上油漆来生产led、激光器，甚至是窗户玻璃，这些玻璃可以发出从海蓝宝石到紫红色的任何颜色的光。

吊装照明可能只需要很少的能源，而太阳能电池板制造商可以提高光电效率，降低生产成本。由佐治亚理工学院领导的研究小组包括来自比利时蒙斯大学和意大利理工学院研究人员。研究结果于2019年1月14日发表在《自然材料》上。这项研究由美国国家科学基金会、欧盟地平线2020、加拿大自然科学和工程研究理事会、丰德魁北克的pour la Recherche和比利时联邦科学政策办公室资助。光电器件中的半导体可以把光转换成电，也可以把电转换成光。研究人员专注于与后者相关的过程：光发射。让一种材料发光的诀窍，从广义上说，就是把能量应用到材料中的电子上，这样它们就能从围绕原子的轨道上获得量子跃迁，然后当它们跳回到空出的轨道上时，就能以光的形式释放出这种能量。

已建立的半导体可以在严格限制电子运动范围的材料区域捕获电子，然后将能量应用到这些区域，使电子一致地进行量子跃迁，在它们一致地跳下来时发出有用的光。这些是量子阱，材料的二维部分限制了这些量子特性，从而产生了这些特殊的光发射特性。有一种可能更具吸引力的发光方式，这也是新型混合半导体的核心优势。一个电子带负电荷，它被能量激发后空出的轨道叫做电子空穴。电子和空穴可以相互旋转形成一种假想粒子，或准粒子，称为激子。激子的正负吸引被称为结合能，这是一种非常高能的现象，这使得激子非常适合发光。当电子和空穴重新结合时，空穴释放出结合能来发光。但通常，激子很难在半导体中保持。

传统半导体中的激子特性只有在极冷温度下才稳定，但在提升过程中，激子性质在室温下非常稳定。激子从原子中释放出来并在物质中移动。此外，HOIP中的激子可以围绕其他激子旋转，形成准粒子，即双激子。还有更多。激子也会围绕材料晶格中的原子旋转。就像电子和电子空穴产生激子一样，激子绕原子核旋转会产生另一种准粒子，叫做极化子。所有这些作用都会导致激子向极化子转变。我们甚至可以说一些激子呈现出一种“极化子”的细微差别。使所有这些动力学更加复杂的是，提升装置充满了正离子和负离子。这些量子舞蹈的华丽对材料本身有着至关重要的影响。

不同寻常的是，材料中的原子与电子、激子、双激子和极化子共舞，在材料中产生了重复的纳米级凹痕，这些凹痕可以作为波型观察到，随着能量的增加，这些凹痕会发生位移和通量。在基态下，这些波型会以某种方式呈现，但随着能量的增加，激子的表现会有所不同。这改变了波浪模式，这就是我们所测量的。这项研究的关键观察结果是，波型随激子类型(激子、双激子、极化子/非极化子)的不同而变化。这些凹痕也会抓住激子，减缓它们在材料中的移动速度，所有这些华丽的动力学可能会影响光发射的质量。

该材料为卤化物有机-无机钙钛矿，是由两个无机晶格层构成的夹层，中间夹有一些有机材料，形成有机-无机杂化材料，量子作用发生在晶格中。中间的有机层就像一层橡皮筋，使水晶格子变成一个摇摆但稳定的舞池。此外，提升机与许多非共价键连接在一起，使材料柔软。晶体的单个单位以一种叫做钙钛矿形式存在，它是一种非常均匀的钻石形状，中间是一种金属，而像氯或碘这样的卤素在点上，因此被称为“卤化物”，在这项研究中，研究人员使用了含有公式(PEA)2PbI4的二维模型。

博科园-科学科普｜研究/来自：乔治亚理工学院

Ben Brumfield, Georgia Institute of Technology

参考期刊文献:《Nature Materials》

论文DOI: 10.1038/s41563-018-0262-7

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加热的时候！烧的通红！可以变成导体，

常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。但玻璃在常温下是绝缘体，不能被称为半导体，虽然玻璃在烧红后会变为导体。 但玻璃不是半导体。

但是玻璃可以做半导体，

玻璃半导体是指由无机氧化物（如二氧化硅和氧化硼）和过渡金属离子（如铁、铜、钼、钒和铬等）组成的氧化玻璃半导体和非氧化物（如硫、硒、磷、碲、硅和锗等元素中的某几种元素组成）玻璃半导体。 大致可分为三类： (1)以IV族元素为主要成分的非晶半导体，如非晶硅，锗等； (2)以VI族元素为主要成分的半导体，如碲-锗共熔体，硫砷，硒砷等； (3)氧化物玻璃半导体[1]，如V2O5-P2O5，V2O5-P2O5-BaO等。 玻璃半导体具有多种特性。如某些玻璃半导体的电阻率在光、电、热等作用下可改变4～5个数量级；某些玻璃半导体的透过率，折射率，反射率等在光，热作用下变化很大；某些玻璃半导体的化学性质(溶解度、抗蚀性)在光、热作用下显著改变。这些特性的变化都是由于材料在光、电、热作用下，其组成、结构或电子状态发生了变化。利用上述特性可制作存贮器件、光记录材料、光电导材料，如电视摄像管的靶面材料、静电复印材料和太阳能电池材料等，用途十分广泛。

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