分子束外延系统以一种系统的方式将化合物的每一层原子分层，这样研究人员就可以在生长过程中研究薄膜结构。图：杜宾实验室
薄膜太阳能电池板、你手中的手机和你家里的LED灯泡都是用地球上最稀有、最昂贵的一些元素制成的。
包括密歇根大学研究人员在内的一个国际团队已经设计出一种方法，用更便宜、更丰富的元素制造出这种光电子材料。这些化合物还可以被“调谐”，以有效地从太阳光谱中不同波长的光中获取电能，并产生我们喜欢在照明中使用的颜色范围。
只有特定种类的化合物——两种或两种以上元素的组合——才能被用来制造高效发光或集电的电子设备。如果你还记得小学化学课，元素周期表上的每一列都被认为是一组元素。
例如，第三类包括铟和镓等元素——这两种相对稀缺的元素目前都是光和电结合应用的基础。问题是，这些化合物中含有的元素通常只在世界各地的少数几个地方发现。
“事实上，我们正面临着耗尽其中一些元素的危险，因为它们不容易回收，而且供应有限，”领导U-M项目的物理学家罗伊克拉克(RoyClarke)说。“对技术而言，依赖可能在10至20年内耗尽的东西是不可行的。”
研究小组找到了一种方法，将这两种来自第3组的共有元素组合在一起，制成一种新的化合物，由第二、四、五组元素组成。这种II-IV-V化合物可以用来代替具有相似特性的三钒光电子材料中的稀有元素——只不过它们的含量要丰富得多，价格更低。
这种由锌、锡和氮组成的新化合物既能吸收太阳能，又能吸收光，因此它可以用于薄膜太阳能电池板，也可以用于LED灯泡、手机屏幕和电视显示屏。
用镁代替锌可以进一步将材料延伸到蓝光和紫外光中。这两种化合物都是“可调的”——也就是说，当研究人员培育出两种化合物中的任何一种化合物的晶体时，这些元素的排列方式可以使材料对特定波长的光敏感。
这种可调谐性是需要的，因为它允许研究人员调整材料，以响应最广泛波长的光。这对于发光二极管尤其重要，这样器件设计者就可以选择所产生的光的颜色。
克拉克说：“当你给家里或办公室照明时，你希望能够调节光线的温暖度，经常模仿自然光线。”“这些新的II-IV-V化合物将让我们做到这一点。”
研究生罗伯特·马金、克里斯特尔·约克和詹姆斯·马西斯在西密歇根大学电子和计算机工程学教授史蒂夫·德宾的实验室里培育了这些薄膜。
马金刚刚在华盛顿大学获得博士学位，是这项研究的主要作者。他使用一种叫做分子束外延(MBE)的技术，在正确的条件下生产所需的化合物，从而制作出原子有序度受到严格控制的薄膜。
MBE将化合物的每一层原子都以一种系统的方式排列起来，这样研究人员就可以在生长过程中研究薄膜结构。研究的下一阶段，将导致各种装置设计的建造，要求对这种材料族的电子响应进行详细研究，并对利用其通用性的各种纳米尺度结构进行测试。
研究小组还包括来自法国洛林大学和新西兰坎特伯雷大学的成员。他们的研究发表在《物理评论快报》上。