Ny form for silicium kunne muliggøre næste generations elektroniske og energienheder

Et team ledet af Carnegies Thomas Shiell og Timothy Strobel udviklede en ny metode til at syntetisere en ny krystallinsk form for silicium med en hexagonal struktur, der potentielt kunne bruges til at skabe næste generations elektroniske og energienheder med forbedrede egenskaber, der overstiger de "normale" "kubisk form for silicium, der bruges i dag.

Deres arbejde er udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

Silicium spiller en overordnet rolle i menneskers liv. Det er det næststørste grundstof i jordskorpen. Når det blandes med andre elementer, det er afgørende for mange bygge- og infrastrukturprojekter. Og i ren elementær form, det er afgørende nok for at beregne, at USA's mangeårige teknologiske centrum - Californiens Silicon Valley - fik tilnavnet til ære for det.

Som alle elementer, silicium kan have forskellige krystallinske former, kaldet allotroper, på samme måde som blød grafit og superhård diamant begge er former for kulstof. Den form for silicium, der oftest anvendes i elektroniske enheder, herunder computere og solpaneler, har samme struktur som diamant. På trods af sin allestedsnærværende, denne form for silicium er faktisk ikke fuldt optimeret til næste generations applikationer, herunder højtydende transistorer og nogle fotovoltaiske enheder.

Mens mange forskellige siliciumallotroper med forbedrede fysiske egenskaber er teoretisk mulige, kun en håndfuld eksisterer i praksis i betragtning af manglen på kendte syntetiske veje, der i øjeblikket er tilgængelige.

Strobels laboratorium havde tidligere udviklet en revolutionerende ny form for silicium, kaldet Si ₂₄ , som har en åben ramme sammensat af en række endimensionelle kanaler. I dette nye værk, Shiell og Strobel ledede et hold, der brugte Si ₂₄ som udgangspunkt i en flertrins syntesevej, der resulterede i stærkt orienterede krystaller i en form kaldet 4H-silicium, opkaldt efter sine fire gentagne lag i en sekskantet struktur.

"Interessen for sekskantet silicium går tilbage til 1960'erne, på grund af muligheden for afstembare elektroniske egenskaber, som kunne forbedre ydeevnen ud over den kubiske form" forklarede Strobel.

Sekskantede former for silicium er blevet syntetiseret tidligere, men kun gennem aflejring af tynde film eller som nanokrystaller, der sameksisterer med uordnet materiale. Den nyligt demonstrerede Si ₂₄ pathway producerer den første højkvalitets, bulkkrystaller, der tjener som grundlag for fremtidige forskningsaktiviteter.

Ved at bruge det avancerede computerværktøj kaldet PALLAS, som tidligere blev udviklet af medlemmer af teamet til at forudsige strukturelle overgangsveje - som hvordan vand bliver til damp, når det opvarmes eller is, når det fryses - var gruppen i stand til at forstå overgangsmekanismen fra Si ₂₄ til ⁴ H ^- si, og det strukturelle forhold, der tillader bevaring af højt orienterede produktkrystaller.

"Ud over at udvide vores grundlæggende kontrol over syntesen af ​​nye strukturer, opdagelsen af ​​bulk 4H-silicium krystaller åbner døren til spændende fremtidige forskningsmuligheder for tuning af de optiske og elektroniske egenskaber gennem strain engineering og elementær substitution, "Shiell sagde. "Vi kunne potentielt bruge denne metode til at skabe frøkrystaller til at dyrke store mængder af 4H-strukturen med egenskaber, der potentielt overstiger diamantsiliciums."