據麥姆斯咨詢報道，日本國家材料研究所（NIMS）和東京工業大學聯合發現了一種化合物：硅酸三鈣（Ca3SiO），這是一種直接躍遷半導體，未來有望成為紅外光源和紅外探測器的制備材料。這種化合物由鈣、硅和氧組成，生產成本低廉，并且無毒。現有的許多紅外半導體材料含有有毒的化學元素，如鎘（Cd）、碲（Te）。Ca3SiO可用于開發成本更低、更安全的近紅外半導體器件。

紅外光是光纖通信、光伏發電和夜視設備等應用的常用波段。現有能夠發射紅外輻射的半導體（即直接躍遷半導體）如碲鎘汞（MCT）和砷化鎵（GaAs），含有有毒物質。不含有毒化學元素的紅外半導體一般不能發射紅外輻射（即間接躍遷半導體）。人們希望使用能帶間隙在紅外波段范圍內的無毒、直接躍遷半導體進行高性能紅外器件開發。

通常情況下，材料的半導體特性，如能帶間隙，由兩種化學元素共同決定，如三五族或四六族化合物分別由三價和五價、四價和六價元素決定。在這種組合中，如果添加較重的元素，能帶間隙變得更小。基于此思路，開發出了由有毒元素組成的直接躍遷半導體，如碲鎘汞（MCT）和砷化鎵（GaAs）。為了發現不含有毒元素的紅外半導體，這個研究小組采取了一種非常規的方法：尋找一種晶體結構，其中硅的行為是四價陰離子，而不是常規的四價陽離子狀態。小組最終選擇了氧硅化合物（例如Ca3SiO）和反鈣鈦礦晶體結構的氧化鍺進行合成，評估其物理性質，并進行理論計算。結果表明，這類化合物在波長為1.4 μm時表現出大約0.9 eV的極小能帶間隙，顯示了它們成為直接躍遷半導體的巨大潛力。這種化合物即使加工成薄膜，也有可能有效地吸收、探測和發射長波紅外光，非常有希望用于制備紅外光源（例如紅外LED）和紅外探測器的半導體材料。

在未來的研究中，研究人員計劃開發高強度紅外LED和高靈敏度紅外探測器，通過合成大單晶形式的化合物，開發薄膜生長工藝，并通過摻雜控制其物理特性，取得固態解決方案。如果這些努力取得成功，目前用于現有近紅外半導體的有毒化學元素可能會被無毒的化學元素所取代。

該項目由日本國家材料研究所功能材料研究中心主任Naoki Ohashi和倫敦大學學院（UCL）教授Alexander Shluger組成的研究小組完成。這項工作得到了MEXT元素戰略倡議和強強合作計劃（JSPS Core-to-Core Program）的支持。

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