太空生長高濃度In含量InGaSb三元光電晶體研究中獲進展

　　2016年4月，我國首顆微重力科學實驗衛(wèi)星——實踐十號（SJ-10）返回式科學衛(wèi)星搭載著由中國科學院上海硅酸鹽研究所等聯(lián)合研制的空間材料科學實驗有效載荷——“多功能材料合成爐”進入太空開展科學實驗研究。SJ-10衛(wèi)星實驗后的兩年多時間，上海硅酸鹽所研究員余建定帶領的科研團隊對空間生長的InxGa1-xSb三元光電晶體進行了深入研究，結果表明：通過太空晶體生長實驗，在國際上首次獲得了In含量高達11%且成分均勻、一致的InxGa1-xSb（x=0.11）三元光電晶體。相關研究結果發(fā)表在Nature出版集團旗下期刊NPJ Microgravity上（DOI：10.1038/s41526-019-0068-1）。

　　InxGa1-xSb三元光電晶體不但是重要的紅外光電器件材料，而且是高效的熱光伏晶體材料，可通過改變In和Ga的成分比來調控其禁帶寬度，從而充分吸收多種光譜的輻射能量，獲得高熱光伏轉換效率。常見的城市垃圾在焚燒時將輻射一定區(qū)間內不同波長的光譜，相關研究表明，InxGa1-xSb三元光電晶體當In含量達到11%左右時能最大范圍吸收該類光譜。因此，人們期待著利用具有高熱光伏轉換效率的InxGa1-xSb晶體制成熱光伏系統(tǒng)，把城市垃圾燃燒后的輻射熱轉換為電能。然而，InxGa1-xSb固液線分離比較寬，在地球重力對流的作用下極易產生成分偏析，因此目前在地面上只能生長出In含量為3%的InxGa1-xSb晶體，制約了其在熱光伏系統(tǒng)中的應用。為提高熱光伏轉換效率，國內外進行了一系列高濃度In含量InxGa1-xSb晶體的空間生長實驗。上世紀九十年代，中日兩國開始合作進行InxGa1-xSb的空間晶體生長研究。2011年，日本科學家在國際空間站進行了InxGa1-xSb的空間生長機理研究，但未能獲得高濃度In含量的InxGa1-xSb晶體。

　　余建定團隊與日本宇宙科學研究所開展國際合作，利用SJ-10科學衛(wèi)星開展了高濃度In含量InxGa1-xSb的空間晶體生長實驗。該團隊在SJ-10科學衛(wèi)星實驗前，進行了3年多的地面匹配實驗，以不斷優(yōu)化空間晶體生長工藝和參數，并開發(fā)了安全可靠的空間晶體生長安瓿?？臻g三元晶體的生長采用二元單晶為籽晶和原料，以 GaSb(111)A/InSb/GaSb(111)A的三明治方式安置于安瓿中，在微重力下進行了60多小時的降溫凝固生長。科研團隊利用電子顯微鏡（EM）、電子探針（EPMA）和電子背散射衍射儀（EBSD）等設備對生長后的晶體進行了系統(tǒng)的成分和結構分析。分析結果表明，空間晶體生長界面呈平面狀，晶體生長速度為0.145mm/h，晶體生長區(qū)域約為7.1mm，In含量x=0.11且均勻一致地分布在晶體生長區(qū)，得到了空間微重力條件下成分均勻一致的高濃度In含量InxGa1-xSb（x=0.11）三元晶體。

　　相關研究工作得到中科院先導專項等資助。

　　InxGa1-xSb晶體的組織和EPMA成分分析結果：（a）斷面組織和In的濃度的面分布，（b）沿垂直方向In的濃度分布，（c）沿徑向方向In的濃度分布