一个研究小组在探索一种半导体与一种新型氧化薄膜结合的特性时，发现了一种令人惊讶的新的导电源，它来自于被困其中的氧原子。
美国能源部西北太平洋国家实验室的材料科学家Scott Chambers在2022年春季美国物理学会会议上报告了该团队的发现。该研究发现在《Physical Review Materials》杂志上有详细描述。
这一发现对理解氧化物薄膜在未来半导体设计和制造中的作用具有广泛的意义。具体来说，现代电子设备中使用的半导体有两种基本类型——n型和p型——这取决于晶体生长过程中添加的电子杂质。现代电子设备使用n型和p型硅基材料。但人们一直希望能够开发其他类型半导体。Chambers和他的团队正在测试锗与一种特殊的镧锶锆钛氧化物（LSZTO）晶体薄膜的结合。
Chambers表示：“我们正在研究一种探测半导体结构和功能的强大工具。我们发现，硬X射线光电子能谱显示，当锗与特定氧化物材料结合时，锗中的杂质氧原子主导了材料系统的性质。这对我们来说是一个巨大的惊喜。”
研究团队在英国牛津郡哈维尔科学与创新园区使用钻石光源，他们发现这种方法比使用常用方法可有获得更多关于锗/LSZTO系统电子特性的信息。
Chambers表示：“当我们试图用常规技术探测这种材料时，锗的导电率高得多，这会导致短路。因此，我们可以了解一些关于锗的电子性质，虽然我们已经了解了很多，但对LSZTO薄膜的性质或LSZTO薄膜与锗之间的界面性质一无所知——我们怀疑这可能非常有趣，可能对未来发展技术非常有用。”
钻石光源产生的所谓“硬”X射线可以穿透材料，并产生有关在原子水平上发生的信息。
Chambers表示：“我们的研究结果最好用锗中的氧杂质来解释，因为锗中的氧杂质产生了一种非常有趣的效应。界面附近的氧原子向LSZTO薄膜提供电子，在界面的几个原子层内的锗中产生空穴，或者说没有电子。这些特殊的空穴导致的现象完全掩盖了我们准备的不同样品中n型和p型锗的半导体性能。这也是一个巨大的惊喜。"
薄膜氧化物和基础半导体结合的界面经常会出现有趣的半导体特性。Chambers表示，挑战在于学会如何通过改变表面的电场来控制在这些界面上形成的迷人且潜在有用的电场。PNNL正在进行的实验正在探索这种可能性。
Chambers认为，虽然这项研究中使用的样本不太可能立即实现商用，但所取得的技术和科学发现有望在长期内产生回报。新的科学知识将帮助材料科学家和物理学家更好地理解如何设计具有有用特性的新型半导体材料系统。
