人工晶体尺寸开关驱动的巨大电子电导率变化

固体材料的电子特性高度依赖于晶体结构及其尺寸(即，晶体主要具有2D还是3D结构)。正如东京工业大学的片濑隆吉教授指出的那样，这一事实具有重要的推论：“如果可以在相同的材料中可逆地转换晶体结构的尺寸，则可以控制剧烈的性质变化。” 这一见解促使Katase教授及其东京工业大学的研究团队与大阪大学和国立材料科学研究所的合作伙伴共同着手研究改变硒化铅锡的晶体结构尺寸的可能性合金半导体。他们的研究结果发表在最近一期经同行评审的期刊上发表的论文中科学进展。

铅锡硒化物合金(Pb 1-x Sn x)Se是此类研究的适当焦点，因为铅离子(Pb 2+)和锡离子(Sn 2+)倾向于不同的晶体尺寸。具体而言，纯硒化铅(PbSe)具有3D晶体结构，而纯硒化锡(SnSe)具有2D晶体结构。SnSe具有1.1eV的带隙，类似于常规半导体Si。同时，PbSe具有0.3 eV的窄带隙，并显示出比SnSe高1个数量级的载流子迁移率。特别是3D(Pb 1-x Sn x硒作为拓扑绝缘体已引起了广泛的关注。也就是说，在3D PbSe中用Sn代替Pb会减小带隙，并最终产生无间隙的狄拉克样态。因此，如果可以通过诸如温度之类的外部应力来切换这些晶体结构的尺寸，则将导致巨大的功能相变，例如较大的电子电导率变化和拓扑状态跃迁，并通过明显的电子结构变化而增强。

合金化的PbSe和SnSe会控制结构的急剧转变，因此(Pb 1-x Sn x)Se合金应在相界周围引起强烈的挫折。但是，在热平衡下，3D PbSe和2D SnSe相之间没有直接的相界。通过实验，Katase教授及其研究小组成功开发了一种生长具有等量Pb 2+和Sn 2+离子(即(Pb 0.5 Sn 0.5)Se)的非平衡铅锡硒合金晶体的方法，根据温度在2D和3D形式之间进行直接的结构相变。在较低温度下，2D晶体结构占主导地位，而在较高温度下，3D结构则占主导地位。低温2D晶体结构比高温3D晶体更耐电流，并且随着合金的加热，其电阻率水平在发生尺寸相变的温度附近急剧下降。本策略在使用人工相界的半导体中促进了不同的结构尺寸切换和进一步的功能特性切换。

总而言之，研究团队开发了一种半导体合金(Pb 1-x Sn x)Se的形式，该合金经历了随温度变化的晶体尺寸相变，这些转变对合金的电子性能具有重要意义。当被问及团队工作的重要性时，片濑教授指出，这种形式的(Pb 1-x Sn x)Se合金“可以作为基础科学研究和开发半导体技术新功能的平台。 。” 因此，这种特殊的合金可能会带来令人兴奋的新半导体技术，并给人类带来诸多好处。

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