Een team onder leiding van Thomas Shiell en Timothy Strobel van Carnegie ontwikkelde een nieuwe methode 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 van de "normale" overtreffen. " kubieke vorm van silicium die tegenwoordig wordt gebruikt.

Hun werk is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Silicium speelt een buitensporige rol in het menselijk leven. Het is het op één na meest voorkomende element in de aardkorst. Wanneer gemengd met andere elementen, het is essentieel voor veel bouw- en infrastructuurprojecten. En in pure elementaire vorm, het is cruciaal genoeg voor computers dat het al lang bestaande technologische centrum van de VS - Silicon Valley in Californië - er de bijnaam naar heeft gekregen.

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

Hoewel er theoretisch veel verschillende siliciumallotropen met verbeterde fysische eigenschappen mogelijk zijn, er zijn 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, genaamd Si ₂₄ , die een open raamwerk heeft dat is samengesteld uit een reeks eendimensionale kanalen. In dit nieuwe werk Shiell en Strobel leidden een team dat Si . gebruikte ₂₄ als het startpunt in een meerfasige syntheseroute die resulteerde in sterk georiënteerde kristallen in een vorm die 4H-silicium wordt genoemd, genoemd naar zijn vier herhalende lagen in een zeshoekige 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 zou kunnen verbeteren", legde 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 Si ₂₄ Pathway produceert de eerste hoogwaardige, bulkkristallen die als basis dienen voor toekomstige onderzoeksactiviteiten.

Met behulp van de geavanceerde computertool genaamd PALLAS, die eerder door leden van het team was ontwikkeld om structurele overgangspaden te voorspellen - zoals hoe water stoom wordt bij verhitting of ijs wanneer bevroren - de groep was in staat om het overgangsmechanisme van Si te begrijpen ₂₄ tot ⁴ H ^- Si, 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, de ontdekking van bulk 4H-siliciumkristallen opent 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."