微重力促进的均匀 InAsSb 大体积单晶生长

在太空生长的晶体

许多使我们在黑暗中看见、感知微弱磁场或构建未来量子计算机的器件都依赖极其纯净的晶体。然而，在地球上生长大尺寸、无缺陷的先进半导体晶体出乎意料地困难，因为重力会以不希望的方式搅动熔融成分。该研究表明，通过在空间站上生长晶体——在那里微重力几乎抵消了这些力——科学家可以制备出一种新型对红外敏感的晶体，其均匀性和无缺陷程度远优于地面获得的任何成果。

这种特殊晶体为何重要

这项工作的核心材料是一种名为 InAsSb 的合金，由铟、砷和锑构成。它属于一种因用于检测中红外光（用于热像仪、气体传感器以及部分天文仪器）而备受重视的半导体家族，同时也能承载高速电子，适用于前沿电子学和量子器件。InAsSb 的带隙决定了它对哪个波段光敏感，通过调节掺入的锑含量可以调节带隙。这种可调性十分有吸引力，但也带来问题：在常规重力下，较重的原子在晶体凝固过程中会发生分离，因此大块晶体的不同区域会出现略微不同的成分和性能。

在地球上生长均匀晶体的挑战

在地球上，当晶体从熔体生长时，重力会在液体中驱动翻滚的对流。在像 InAsSb 这样的合金中，锑被强烈地从凝固前沿推挤出来并在前端聚集。搅拌、温度差以及这种“溶质堆积”的组合会使固–液界面弯曲和粗糙，促成缺陷、微小空洞和多晶粒的形成。即便采用复杂工艺，在 InAs 籽晶上生长大体积 InAsSb 通常也遇到实际极限：当成分偏离纯 InAs 超过约 5% 时，结果往往是小晶粒的拼凑，而不是单一、良好取向的晶体。

在轨生长更优晶体

为绕过这些由重力驱动的问题，团队将一项晶体生长实验送往中国空间站。他们采用一种称为垂直梯度凝固的方法，将细长堆叠的 InAs 和 InSb 材料装入密封石英坩埚。加热后，中间的 InSb 熔化并部分溶解上下的 InAs，形成液态合金。随后沿安瓿方向精确控制并移动温度梯度，使晶体能够缓慢生长——约每小时 0.04 毫米——在 InAs 籽晶上。在微重力条件下，熔融合金不再发生剧烈对流，凝固主要由缓慢的扩散控制而非翻腾的流动。结果是直径约 11 毫米、长约 2.5 毫米的 InAsSb 晶柱，锑含量约为 6.7%，在整个体积内保持在半个百分点以内的均匀性。

太空晶体内部有何不同

回到地面后，研究者将太空生长与地面生长的锭切片，并用一系列显微镜与光谱仪进行检查。电子探针测量显示，太空晶体具有平坦、几乎完美平面的生长前沿，砷和锑的分布极为均匀。相比之下，地面样品含有毫米尺度的空洞和略大的成分波动。拉曼散射、电子背散射衍射、X 射线衍射和透射电子显微镜等结构探测手段均得出相同结论：微重力样品是真正的单晶，所检区域原子层排列整齐且无晶界。其位错密度——晶格中线状缺陷的度量——约为陆生成品的十分之一。

更锐利的电子性能

作者还验证了结构上的完美是否转化为性能提升。通过红外吸收测量，他们发现太空生长的 InAsSb 带隙与理论计算及该合金家族的已知趋势一致，确认了成分的精确可控。电学测试显示更显著的改善：尽管两者载流子浓度相近，电子在太空生长晶体中的迁移性比地面生长晶体高出两倍以上。这表明在较差的地面晶体中，电子主要被晶界和位错所散射减速，而在微重力条件下，电子的运动接近该材料的理论极限。

这对未来器件意味着什么

对非专业读者来说，关键信息是：太空提供了一种从根本上不同的制备材料的方式。通过几乎消除熔体中的浮力搅拌，微重力让像 InAsSb 这样的晶体以更平静、更有序的方式凝固，大大减少了在地球上难以避免的缺陷和成分波动。该研究不仅展示了在轨生长的高质量红外半导体晶体，还为改进地面生长提供了指导——例如减小熔体深度或利用磁场抑制对流。长期来看，这些进展可能带来更好的红外相机、更灵敏的传感器以及更可靠的量子技术构件，其中一些可能依赖于在太空中首先优化的晶体。

引用: Huang, J., Zheng, H., Yin, Z. et al. Microgravity-enabled growth of uniform InAsSb bulk single crystal. npj Microgravity 12, 31 (2026). https://doi.org/10.1038/s41526-026-00581-5

关键词: 微重力 晶体生长, InAsSb 半导体, 红外 探测器, 空间 材料科学, 单晶 合金