科學家們成功結合了元素周期表第四族的四種元素，設計出一種新材料，可能會改變量子計算、微電子學和光子學的未來。這種穩定的半導體合金由碳 (C)、矽 (Si)、鍺 (Ge) 和錫 (Sn) 組成，該材料由歐洲最大的跨學科研究機構之一的Forschungszentrum Jülich (FZJ) 和Leibniz Institute for Innovative Microelectronics (IHP) 的研究人員開發。
這種新創的化合物簡稱為CSiGeSn，是首個此類材料。由於它屬於元素周期表的同一組，因此與標準CMOS芯片製造工藝完全兼容。FZJ的研究人員Dan Buca博士表示：「通過結合這四種元素，我們實現了一個長期以來的目標：最終的第四族半導體。」
新合金在半導體創新方面代表了一個重要的進步。儘管矽長期以來主導了芯片製造，但在將光子學或量子元素直接集成到芯片上時仍存在局限性。新材料使得電子和光學性能的精細調整成為可能，超越了純矽所能實現的範疇，並且仍然兼容芯片生產所需的晶圓上精細的晶體晶格。
研究團隊解釋，只有來自與矽同一組的元素才能保持晶體結構，其他元素則會因外延生長過程而破壞該結構。Buca指出，將碳加入矽-鍺-錫矩陣中，能夠對帶隙進行前所未有的控制，這是一個決定材料電子和光子行為的關鍵參數。他提到：「一個例子是可以在室溫下工作的激光。」他補充道，許多基於矽的光學技術仍在不斷發展，並且還有新的機會來開發合適的熱電材料，以將熱量轉換為可穿戴設備和計算機芯片中的電能。
科學家們多年来一直在實驗矽、鍺和錫的組合，以創造激光器、LED和光電探測器等光電子設備。然而，由於碳的原子尺寸較小且與錫的鍵合行為不同，將碳添加到這一組合中長期以來被認為幾乎是不可能的。研究團隊使用了來自AIXTRON AG的先進工業化學氣相沉積 (CVD) 系統，這種設備與目前已用於芯片生產的設備類似，成功將這四種元素結合成一種均勻且穩定的材料。
這種高品質的新材料為芯片集成全新功能開啟了大門，例如室溫激光、高效率的熱電材料用於可穿戴技術，甚至未來計算系統的量子元件。根據科學家的說法，成功創建基於所謂的量子井結構的第一個發光二極體 (LED) 是一項重大突破。
IHP的教授兼研究共同作者Giovanni Capellini博士在新聞稿中總結道：「這種材料提供了可調光學性能和矽兼容性的獨特組合，為可擴展的光子學、熱電和量子技術元件奠定了基礎。」該研究已發表在《Advanced Materials》期刊上。
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