北京
研究人员将低纯度铁矿石转化为半导体级黄铁矿，开辟了一条通往更廉价材料的潜在途径。
明尼苏达大学双城分校的研究人员证明，来自明尼苏达州的低纯度铁矿石可以直接转化为半导体级黄铁矿，这可能为未来太阳能电池板、电池和电子设备所需材料开辟一条更廉价的路线。
黄铁矿通常被称为愚人金，是一种不同寻常的半导体。它吸光性强，由储量丰富的元素组成，无毒且廉价。但制造高质量半导体黄铁矿通常需要高度纯化的起始材料，因为杂质和缺陷会干扰半导体性能。
明尼苏达团队发现这可能并非必要。研究人员使用直接取自明尼苏达铁矿区的铁矿石样品，在没有增加额外纯化步骤的情况下，生产出了半导体级硫化铁。
这一发现对明尼苏达州尤为重要，该州约占美国铁矿石产量的75%，该行业每年创造超过40亿美元的收入。曾支撑炼钢业的同一种资源，有可能成为半导体材料的来源。
不纯矿石带来更纯净结果
研究人员测试了三种不同类型的铁矿石，发现直接还原级铁燧岩（Direct Reduced Grade Taconite）——明尼苏达州最常见的品级之一——表现最佳。
这一结果令团队惊讶，因为半导体材料通常对杂质高度敏感。相反，黄铁矿表现出意想不到的耐受杂质能力，同时保留半导体应用所需的性能。
“我们意识到黄铁矿其实并不像典型的半导体——它对杂质具有惊人的免疫力，”化学工程与材料科学系杰出麦克奈特大学教授、该研究资深作者克里斯·莱顿说，“于是我们想，我们是否真的需要那种我们（以及其他所有人）一直用来制造半导体黄铁矿的高纯度材料。”
研究人员发现，低纯度矿石无需额外纯化即可直接加工成黄铁矿。这可能会在半导体级材料的生产中省去一个可能成本高昂的环节。
莱顿补充说：“有各种理由会让你认为这不可能实现。但在加工过程中，直接来自明尼苏达铁矿区的不纯——或者说低纯度——铁矿石，在没有额外纯化步骤的情况下，很容易就被转化为半导体级黄铁矿。其原因我们现在已经理解得相当清楚。”
研究团队表示，理解杂质为何不会阻止高质量黄铁矿的形成，可能有助于指导利用丰富资源开发类似材料。
愚人金瞄准未来设备
潜在应用不仅限于传统半导体器件。黄铁矿吸收光的能力使其在太阳能技术中颇具吸引力，而其组成和低成本也可能使其在电池和电子器件中发挥作用。
研究人员还指出其在水净化方面可能的应用。不过，这些用途仍是未来的可能性，团队计划测试该材料在与器件相关的形态下的表现。
下一阶段将包括检测更多类型和品级的铁矿石，因为该铁矿区包含种类繁多的资源。研究人员还想超越块状黄铁矿晶体，制备薄膜，因为薄膜与电子和能源器件的关联更为直接。
这一方法最终可能为已经大规模开采的铁资源创造另一种用途。制造商或许可以从更丰富、精炼程度更低的铁矿石入手，而不需要高纯度原料来制造专用半导体材料。
对明尼苏达州而言，这可能意味着围绕现有采矿业构建一条新的技术路径。对材料工程师来说，这项工作提供了不同的启示：一种看似对半导体应用而言过于不纯的材料，其耐受性可能远超预期。
这项研究发表在《物理评论应用》（Physical Review Applied）上。
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