韓國成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）材料科學(xué)與工程系鄭素熙教授團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH Zurich）馬克西姆·V·科瓦連科（Maksym V. Kovalenko）教授課題組，在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）發(fā)表Zui新研究成果。該研究首次系統(tǒng)揭示了III-V族紅外半導(dǎo)體量子點(diǎn)合成過程中，重砷族元素前驅(qū)體還原的化學(xué)機(jī)制。這一突破不僅解決了長期以來困擾納米晶體合成的“黑箱”問題，更為高純度、可重復(fù)性強(qiáng)的紅外半導(dǎo)體材料規(guī)?；苽涞於死碚摶A(chǔ)。

解耦活化與生長：金屬酰胺的關(guān)鍵作用

III-V族化合物半導(dǎo)體，特別是砷化銦（InAs）和銻化銦（InSb）量子點(diǎn)，因其優(yōu)異的光學(xué)性能且不含鉛、汞等有毒元素，被視為下一代紅外傳感技術(shù)的核心材料。然而，由于砷和銻屬于周期表氮族的較重元素（即重砷族元素），其前驅(qū)體在合成過程中的還原反應(yīng)極難控制。傳統(tǒng)方法往往依賴經(jīng)驗(yàn)主義，通過盲目調(diào)整溫度、壓力和反應(yīng)物比例來尋找配方，導(dǎo)致批次間一致性差，難以滿足工業(yè)級(jí)量產(chǎn)需求。

研究團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于將“前驅(qū)體活化”與“納米晶體形成”兩個(gè)步驟解耦。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬烷基試劑與伯胺反應(yīng)時(shí)，會(huì)生成關(guān)鍵的金屬酰胺物種。這些中間體在特定溫度驅(qū)動(dòng)下發(fā)生從酰胺到亞胺的氧化反應(yīng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)重砷族前驅(qū)體的還原。通過調(diào)節(jié)還原溫度和金屬陽離子環(huán)境，研究人員能夠精準(zhǔn)控制前驅(qū)體處于部分還原狀態(tài)，這種狀態(tài)恰好是構(gòu)建高質(zhì)量III-V族納米晶體的理想起點(diǎn)。

這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了合成策略。過去，研究人員通常將所有反應(yīng)物一次性混合，隨后在生長過程中不斷試錯(cuò)調(diào)整；現(xiàn)在，團(tuán)隊(duì)可以預(yù)先制備具有可控反應(yīng)活性的前驅(qū)體，再將其用于晶體生長。這種從“經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)”向“化學(xué)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，賦予了對(duì)合成過程早期階段的極大控制權(quán)，顯著提升了產(chǎn)物的均勻性和光學(xué)性能。

無額外還原劑：兼容多種工業(yè)化工藝

在實(shí)際應(yīng)用層面，該研究團(tuán)隊(duì)成功利用這一機(jī)制合成了砷化銦和銻化銦納米晶體，且在整個(gè)生長過程中無需添加額外的還原劑。這一簡化不僅降低了工藝復(fù)雜度，還消除了潛在雜質(zhì)引入的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是，由于預(yù)還原前驅(qū)體具有高度的兼容性，該合成方法能夠無縫適配加熱法、熱注入法以及連續(xù)注入法等多種主流制備工藝。

對(duì)于紅外傳感行業(yè)而言，這種靈活性至關(guān)重要。當(dāng)前，紅外技術(shù)已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車的夜間目標(biāo)識(shí)別、智能家居安防系統(tǒng)以及醫(yī)療成像設(shè)備等領(lǐng)域，市場(chǎng)需求呈指數(shù)級(jí)增長。然而，高性能紅外半導(dǎo)體材料的供應(yīng)一直受制于合成效率低、成本高昂等問題。新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)路徑使得材料生產(chǎn)能夠適應(yīng)不同規(guī)模的工業(yè)制造格式，為從實(shí)驗(yàn)室小試走向工廠量產(chǎn)掃清了關(guān)鍵障礙。

此外，該機(jī)制還提高了生產(chǎn)過程的安全性和批次間的一致性。傳統(tǒng)含砷、銻化合物的處理往往伴隨較高的毒性和操作風(fēng)險(xiǎn)，而通過金屬酰胺介導(dǎo)的溫和還原路徑，不僅降低了反應(yīng)條件的劇烈程度，還確保了每一批次材料的性能高度穩(wěn)定。這對(duì)于需要長期可靠運(yùn)行的光電設(shè)備和傳感器系統(tǒng)來說，是不可或缺的品質(zhì)保障。

從基礎(chǔ)化學(xué)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的跨越

這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)超出了單一材料合成的范疇。它系統(tǒng)地揭示了一個(gè)隱藏在復(fù)雜半導(dǎo)體合成過程中的基本化學(xué)機(jī)制，證明了基礎(chǔ)化學(xué)原理可以指導(dǎo)先進(jìn)材料的設(shè)計(jì)，而非僅僅依靠偶然發(fā)現(xiàn)的工作配方。通過將經(jīng)驗(yàn)性程序轉(zhuǎn)化為明確的 precursor 設(shè)計(jì)原則，研究團(tuán)隊(duì)為處理重砷族III-V族材料提供了全新的方法論。

從全球市場(chǎng)格局來看，歐美日韓在高端紅外探測(cè)器芯片領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，其核心競(jìng)爭力往往在于上游核心材料的制備工藝。此次韓國與瑞士學(xué)者的合作成果，展示了通過深入理解底層化學(xué)機(jī)制來突破技術(shù)瓶頸的可能性。這種基于機(jī)理的研究范式，有助于縮短新材料從研發(fā)到商業(yè)化的周期，提升供應(yīng)鏈的自主可控能力。

對(duì)于中國半導(dǎo)體及光電行業(yè)從業(yè)者而言，這一進(jìn)展提供了重要的啟示。在追求高性能紅外量子點(diǎn)材料的過程中，不應(yīng)僅停留在工藝參數(shù)的優(yōu)化上，更應(yīng)深入探究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)機(jī)制。通過建立基于化學(xué)原理的前驅(qū)體設(shè)計(jì)體系，中國企業(yè)有望在砷化銦、銻化銦等關(guān)鍵材料的規(guī)?；苽渖蠈?shí)現(xiàn)彎道超車，降低對(duì)進(jìn)口高端前驅(qū)體的依賴，從而提升在整個(gè)紅外產(chǎn)業(yè)鏈中的話語權(quán)和競(jìng)爭力。