新六边形硅有望催生下一代电子与能源设备

2021-06-09 10:58  来源:科技日报  浏览:  

 美国科学家在最新一期《物理学评论快报》杂志撰文指出,他们开发了一种新方法,合成出了一种拥有六边形结构的新型晶型硅,这种晶型硅有可能被用于制造新一代电子和能源器件,这些新设备的性能将超过现有“普通”立方形结构硅制成的相关设备的性能。

 

硅在人类生活中扮演着重要的角色,它是地壳中含量第二丰富的元素。像所有元素一样,硅也可以采取不同的晶体形式——同素异形体。硅常被用于制造计算机和太阳能电池板等。尽管普通形式的硅无处不在,但并不适合制造高性能晶体管和一些光伏器件等设备。

虽然从理论上来说,很多硅的同素异形体拥有更好的物理性能,但由于缺乏合成途径,因此,很难发挥硅的最大潜力。

卡内基大学的托马斯·希尔和蒂莫西·斯特罗贝尔领导的一个研究小组此前曾合成出了一种新型硅——Si24。在最新研究中,他们使用Si24作为合成起始点,合成出了一种新型晶体硅——4H-硅,其拥有4层重复的六边形结构。

斯特罗贝尔解释说:“人们对六边形硅的兴趣可以追溯到20世纪60年代,因为其电子特性可以调谐,由此可获得超越立方体结构的性能。”

以前曾有其他科学家合成出六边形硅,但最新以Si24途径合成出的六边形硅是科学家首次合成出高质量的此类大块晶体,可以用作未来研究活动的基础。

希尔说:“我们的新研究除了可以更好地以可控的方式合成出新结构外,大块4H-硅晶体的发现为通过应变工程和元素替代来调节元素的光学和电子性质打开了大门。我们或许可以利用这种方法制造出种子晶体,让其生长出大量性能有望超过金刚石硅的4H-硅。”

作为一种半导体材料,硅“兢兢业业”服务了60多年,为人类电子产业发展立下汗马功劳。但是,技术在进步,人们对芯片的要求在提高,硅的“成长”遇到了瓶颈。科学家一直在想办法,要么找到新的材料去替代它,要么对硅来一场改造,来升级它。此文中的研究者还是在硅上面做文章。他们此前合成出了一种新型硅,它非常接近直接带隙材料。现在,研究者又在新型硅的基础上,合成出了新型晶体硅,其电子特性可以调节,或可为实现新一代电子设备奠定基础。

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