Germaniums halvledende og optiske egenskaber undersøgt under tryk

Germanium er muligvis ikke et kendt navn som silicium, dens gruppekammerat i det periodiske system, men det har et stort potentiale for brug i næste generations elektronik og energiteknologi.

Af særlig interesse er former for germanium, der kan syntetiseres i laboratoriet under ekstreme trykforhold. Imidlertid, en af ​​de mest lovende former for germanium til praktiske anvendelser, kaldet ST12, er kun blevet oprettet i bittesmå prøvestørrelser - for lille til endeligt at bekræfte dens egenskaber.

"Forsøg på eksperimentelt eller teoretisk at fastlægge ST12-germaniums egenskaber gav ekstremt forskellige resultater, især med hensyn til dens elektriske ledningsevne, " sagde Carnegies Zhisheng Zhao, den første forfatter på et nyt papir om denne form for germanium.

Undersøgelsens forskerhold, ledet af Carnegies Timothy Strobel, var i stand til at skabe ST12-germanium i en stor nok prøvestørrelse til at bekræfte dets egenskaber og nyttige egenskaber. Deres arbejde er udgivet af Naturkommunikation .

"Dette arbejde vil være af interesse for en bred vifte af læsere inden for materialevidenskab, fysik, kemi, og teknik, " forklarede Carnegies Haidong Zhang, den medledende forfatter.

ST12-germanium har en tetragonal struktur - navnet ST12 betyder "simpel tetragonal med 12 atomer." (Se illustration) Det blev skabt ved at sætte germanium under omkring 138 gange normalt atmosfærisk tryk (14 gigapascal) og derefter dekomprimere det langsomt ved stuetemperatur.

De millimeterstore prøver af ST12-germanium, som holdet skabte, var store nok til, at de kunne studeres ved hjælp af en række spektroskopiske teknikker for at bekræfte dets længe omdiskuterede karakteristika.

Som de mest almindelige, diamant-kubisk form af germanium, de fandt ud af, at ST12 er en halvleder med et såkaldt indirekte båndgab. Metalliske stoffer leder let elektrisk strøm, hvorimod isoleringsmaterialer slet ikke leder nogen strøm. Halvledende materialer udviser elektrisk ledningsevne i mellemområdet. Når halvledende materialer udsættes for en tilførsel af en bestemt energi, bundne elektroner kan flyttes til højere energi, ledende stater. Den specifikke energi, der kræves for at gøre dette spring til den ledende tilstand, er defineret som "båndgabet". Mens direkte båndgab materialer effektivt kan absorbere og udsende lys, indirekte båndgab materialer kan ikke.

"Vores team var i stand til at kvantificere ST12s optiske båndgab - hvor synlig lysenergi kan absorberes af materialet - såvel som dets elektriske og termiske egenskaber, som vil hjælpe med at definere dets potentiale for praktiske anvendelser, " sagde Strobel. "Vores resultater indikerer, at på grund af størrelsen af ​​dets båndgab, ST12-germanium kan være et bedre materiale til infrarød detektion og billedteknologi end den diamant-kubiske form af det element, der allerede bruges til disse formål."