Washington, DC – Een team onder leiding van Thomas Shiell en Timothy Strobel van Carnegie heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor het synthetiseren van een nieuwe kristallijne vorm van silicium met een hexagonale structuur die mogelijk kan worden gebruikt om elektronische en energie-apparaten van de volgende generatie te maken met verbeterde eigenschappen die die overtreffen. van de "normale" kubische vorm van silicium die tegenwoordig wordt gebruikt.

Hun werk is gepubliceerd in Physical Review Letters.

Silicium speelt een buitensporige rol in het menselijk leven. Het is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst. In combinatie met andere elementen is het essentieel voor veel bouw- en infrastructuurprojecten. En in pure elementaire vorm is het cruciaal genoeg voor computers dat het al lang bestaande technologische centrum van Silicon Valley in de VS - Californië - ter ere daarvan de bijnaam kreeg.

Zoals alle elementen kan silicium verschillende kristallijne vormen aannemen, allotropen genaamd, op dezelfde manier als zacht grafiet en superharde diamant beide vormen van koolstof zijn. De vorm van silicium die het meest wordt gebruikt in elektronische apparaten, waaronder computers en zonnepanelen, heeft dezelfde structuur als diamant. Ondanks zijn alomtegenwoordigheid, is deze vorm van silicium eigenlijk niet volledig geoptimaliseerd voor toepassingen van de volgende generatie, waaronder hoogwaardige transistors en sommige fotovoltaïsche apparaten.

Hoewel er theoretisch veel verschillende siliciumallotropen met verbeterde fysische eigenschappen mogelijk zijn, bestaat er in de praktijk slechts een handvol, gezien het ontbreken van bekende synthetische routes die momenteel toegankelijk zijn.

Het laboratorium van Strobel had eerder een revolutionaire nieuwe vorm van silicium ontwikkeld, Si24 genaamd, met een open raamwerk dat bestaat uit een reeks eendimensionale kanalen. In dit nieuwe werk leidden Shiell en Strobel een team dat Si24 gebruikte als het startpunt in een meertrapssyntheseroute die resulteerde in sterk georiënteerde kristallen in een vorm genaamd 4H-silicium, genoemd naar zijn vier herhalende lagen in een hexagonale structuur.

"De interesse in hexagonaal silicium dateert uit de jaren zestig, vanwege de mogelijkheid van afstembare elektronische eigenschappen, die de prestaties buiten de kubische vorm zouden kunnen verbeteren", legt Strobel uit.

Zeshoekige vormen van silicium zijn eerder gesynthetiseerd, maar alleen door de afzetting van dunne films of als nanokristallen die naast ongeordend materiaal bestaan. De nieuw gedemonstreerde Si24-route produceert de eerste hoogwaardige bulkkristallen die als basis dienen voor toekomstige onderzoeksactiviteiten.

Met behulp van de geavanceerde computertool PALLAS, die eerder door leden van het team was ontwikkeld om structurele overgangspaden te voorspellen, zoals hoe water stoom wordt bij verhitting of ijs als het bevroren is, kon de groep het overgangsmechanisme van Si24 naar 4H-Si begrijpen. en de structurele relatie die het behoud van sterk georiënteerde productkristallen mogelijk maakt.

"Naast het uitbreiden van onze fundamentele controle over de synthese van nieuwe structuren, opent de ontdekking van bulk 4H-siliciumkristallen de deur naar opwindende toekomstige onderzoeksperspectieven voor het afstemmen van de optische en elektronische eigenschappen door middel van spanningstechniek en elementaire substitutie," zei Shiell. "We zouden deze methode mogelijk kunnen gebruiken om entkristallen te creëren om grote volumes van de 4H-structuur te laten groeien met eigenschappen die mogelijk die van diamantsilicium overtreffen."

###

Li Zhu van Carnegie was ook lid van het onderzoeksteam, samen met Brenton Cook en Dougal McCulloch van RMIT University en Jodie Bradby van The Australian National University.

Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation, Division of Materials Research.

Delen van dit werk werden uitgevoerd bij HPCAT (Sector 16), Advanced Photon Source (APS), Argonne National Laboratory. HPCAT-operaties worden ondersteund door DOE-NNSA's Office of Experimental Sciences. De Advanced Photon Source is een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) Office of Science, beheerd voor het DOE Office of Science door Argonne National Laboratory.