经过数十年发展，半导体材料领域的突破并不常见。斯坦福大学工程学院材料科学与工程团队近日在两篇论文中披露了一种思路：将已有百年历史的IV–VI族半导体材料（包括硒化铅以及锡铅硒化物）与现代主流半导体平台结合，用于改进红外发光二极管（LED）与相关传感器器件。

该团队通讯作者、斯坦福工程学院材料科学与工程助理教授库纳尔·穆克吉（Kunal Mukherjee）表示，这一方法有望推动红外技术在环境、医疗与工业场景中的小型化、轻薄化与成本下降。

研究团队称，新型二极管可发射波长更长的红外光，主要集中在4000—5000纳米区间，适用于空气中气体（如温室气体）检测，以及医疗环境中的传感应用（例如二氧化碳计）。

研究还显示，这一路线带来一个“缺陷容忍性”的意外优势：即便纳米晶体难以做到绝对精确制造，器件仍能保持工作性能。研究人员认为，这种容忍度可能降低制造门槛并压缩成本。由于相关材料体系研究较为成熟，团队同时指出，未来或可借助现有芯片制造基础设施推进规模化生产，减少对昂贵设备改造的依赖。

在工程实现上，关键挑战在于让不同材料层在晶格层面实现电子结合，而非通过粘合剂连接。为此，团队在约五年的研究中采用分子束外延（molecular beam epitaxy）技术，以逐原子、逐层方式生长复杂晶体结构。共同作者、穆克吉实验室前研究生贾罗德·迈耶（Jarod Meyer）在论文相关表述中提到，为实现稳定生长，设备需要持续运行并应对突发状况。

第一篇论文发表于《先进光学材料》（Advanced Optical Materials，doi:10.1002/adom.202503448），由迈耶与前博士后研究员利兰·诺丁（Leland Nordin）共同领导。论文介绍了将上述IV–VI族材料与砷化镓等主流晶体集成的工艺与流程，并构建了一个用于红外器件的基础平台。研究人员报告称，即使二极管中每平方厘米存在数十亿个缺陷（位错），其发光亮度仍高于预期；而在许多现代半导体体系中，如此高的缺陷水平通常难以被容忍。

第二篇论文发表于《纳米快报》（Nano Letters，doi:10.1021/acs.nanolett.5c04974），由研究生普贾·雷迪（Pooja Reddy）主导。论文提出一种通过微小且精确的温度调节来操控晶体结构的方法，使材料能够在两种有序晶体结构之间切换，从而实现对红外光的调制与控制。穆克吉在论文相关表述中指出，既要保持材料与砷化镓的结合，又要在两种有序状态间实现可控切换，是该工作的难点之一。

研究团队表示，结构切换会改变光在晶体中的传播方式，可实现从透明到不透明的转换，用于开关光线、调节光强，或引发相位与偏振变化。

研究人员同时指出，当前LED技术发展主要集中在可见光领域，红外应用因不可见而相对发展缓慢，现有红外设备在体积、成本与外形设计上往往不占优势。穆克吉表示，随着材料集成能力与可控结构变化能力的建立，工程师可据此开发覆盖近10000纳米波长范围的红外器件，用于环境监测中的气体泄漏检测、工业与医疗过程的精密红外传感，以及非侵入式温度测量等方向。