Het halfgeleidersilicium vormt de kern van de huidige revolutie in elektronica en informatica. Vooral, het kan compacte geïntegreerde schakelingen produceren wanneer het wordt verwerkt met moderne technieken die structuren van slechts enkele nanometers groot kunnen maken.

Nutsvoorzieningen, Man-Fai Ng en Teck Leong Tan van het A*STAR Institute of High Performance Computing in Singapore hebben aangetoond dat het mengen van silicium met vergelijkbare materialen de deur kan openen voor de fabricage van apparaten op nanoschaal met een diverse reeks eigenschappen die een breder scala aan toepassingen.

Ng en Tan gebruikten ultramoderne computersimulaties om de structurele stabiliteit en elektronische eigenschappen van op silicium gebaseerde nanodraden te beoordelen. Zoals hun naam al doet vermoeden, nanodraden zijn slechts enkele nanometers breed, maar kunnen wel een millimeter lang zijn. Ze vertonen ongebruikelijke elektronische eigenschappen omdat hun kleine breedte de beweging van elektronen over de draad beperkt.

De eigenschappen van silicium nanodraden zijn goed ingeburgerd, maar er is veel ruimte om hun toepasbaarheid uit te breiden. Wetenschappers verwachten dat ze een meer diverse reeks kenmerken kunnen realiseren door silicium gedeeltelijk te vervangen door andere elementen die zich in dezelfde kolom bevinden als silicium in het periodiek systeem. Er zijn veel potentiële materialen, waaronder koolstof, germanium en tin, die elk in elke verhouding met silicium kunnen worden gecombineerd om een ​​legering te vormen.

Bijgevolg, het totaal aantal mogelijke legeringen is immens. De onderzoekers gingen daarom uitgebreid op zoek naar al deze legeringen op basis van silicium om te bepalen welke atomair stabiel zijn en welke de beste eigenschappen hebben voor nanodraadapparaten.

Ng en Tan gebruikten drie wiskundige technieken (namelijk:Dichtheid functionele theorie, de clusterexpansiemethode en de Monte Carlo-methode) om verschillende atomaire rangschikkingen in nanodraden te simuleren.

"In plaats van alle mogelijke legeringsstructuren te evalueren, onze multischaalsimulatiebenadering maakte een snelle grootschalige vergelijking mogelijk van verschillende combinaties van legeringsstructuren en selecteerde de thermodynamisch stabiele, " legde Ng uit.

De meest stabiele nanodraden van germanium-silicium en tin-silicium bleken die te zijn waarin de siliciumatomen geconcentreerd zijn rond de rand van de draad en de andere atoomsoorten de kern vormen. Omgekeerd, een optimale koolstof-silicium nanodraad vertoonde een geordende rangschikking van de atomaire soorten.

Toen ze eenmaal de optimale atomaire rangschikking hadden geïdentificeerd, Ng en Tan berekenden de energiebandgap - een kritische parameter voor het bepalen van de elektronische eigenschappen van halfgeleiders. "Volgende, we zijn van plan de bandgap-voorspelling voor op silicium gebaseerde nanodraden te verbeteren en onze aanpak te ontwikkelen om meer gecompliceerde nanosystemen voor energietoepassingen aan te pakken, " zegt Ng.