1月8日的科學進展（Science Advances）期刊發布了康奈爾大學的一項合作發現，利用藍寶石生長氧化鎵，生成α-鋁鎵氧化物超寬禁帶半導體，其帶隙擴展到幾乎是硅的8倍。

在藍寶石襯底上生長的α-鋁-鎵氧化物的示意圖

這篇論文是美國空軍研究實驗室康奈爾外延解決方案中心（ACCESS）實驗室的最新發現，該實驗室于2018年啟動，旨在探索氧化鎵在下一代電子產品中的潛在用途。

氧化鎵家族各不相同，它們共享相同的原子，但有著稍微不同的結構，產生了完全不同的電子和光學性質。到目前為止，科學家們更喜歡β相，因為它是這種物質最穩定的形式。但由于其更寬的帶隙，最具誘人前景的相是α-氧化鎵及其與α-氧化鋁的組合。α相氧化鎵的主要缺點是它不如β相氧化鎵穩定，這是科研人員需要克服的方向。

研究人員使用分子束外延技術（非正式地稱為“原子噴涂”）來制造單層薄膜。然后，利用掃描透射電子顯微鏡研究了原子的排列方式，并檢測出可能是由于晶格排列不整齊造成的缺陷。這些缺陷往往賦予材料獨特的特性，但它們會破壞電子或光子器件的性能。問題就在于不同相的摻雜。

研究小組最終確定了藍寶石右刻面的正確對稱性，稱為m面，這形成了穩定的α-氧化鎵薄膜。他們慢慢地用鋁取代了一些鎵原子，以進一步擴大其帶隙。傳統的氧化鎵具有3到4.7ev（電子伏特）的帶隙；每一個電子伏特都代表著性能的巨大飛躍。β-氧化鎵達到4.8ev。新的α-鋁鎵氧化物的帶隙從5.4ev開始，隨著更多的鋁被交換進來，它的帶隙擴展到8.6ev，幾乎是硅帶隙的8倍。

α-鋁鎵氧化物不僅足夠堅固，能夠在高速和高溫下處理大量能量，而且重量輕、結構緊湊，這些特性使其成為航空技術以及其他高功率電子產品的關鍵部件。這種材料的效率也非常高，可以減少太陽能轉換和傳輸過程中的能量損失。研究人員表示，“同時，這也迫使我們重新思考那些我們一直認為是絕緣體的材料，比如藍寶石。我們真的可以像對待氮化硅和氮化鎵那樣，通過摻雜來改變它們的性質，從而控制它們的能隙和電子性質，從而更好利用它嗎？”

編譯 YUXI