Germanium is misschien geen begrip zoals silicium, zijn groepsgenoot op het periodiek systeem, maar het heeft een groot potentieel voor gebruik in de volgende generatie elektronica en energietechnologie.

Van bijzonder belang zijn vormen van germanium die in het laboratorium onder extreme drukomstandigheden kunnen worden gesynthetiseerd. Echter, een van de meest veelbelovende vormen van germanium voor praktische toepassingen, genaamd ST12, is alleen gemaakt in kleine steekproefomvang - te klein om de eigenschappen ervan definitief te bevestigen.

"Pogingen om de kenmerken van ST12-germanium experimenteel of theoretisch vast te stellen, leverden zeer uiteenlopende resultaten op, vooral in termen van de elektrische geleidbaarheid, " zei Carnegie's Zhisheng Zhao, de eerste auteur van een nieuw artikel over deze vorm van germanium.

Het onderzoeksteam van de studie, onder leiding van Carnegie's Timothy Strobel, was in staat om ST12-germanium te maken in een steekproef die groot genoeg was om de kenmerken en nuttige eigenschappen ervan te bevestigen. Hun werk is uitgegeven door Natuurcommunicatie .

"Dit werk zal interessant zijn voor een breed scala aan lezers op het gebied van materiaalwetenschap, natuurkunde, scheikunde, en techniek, " verklaarde Haidong Zhang van Carnegie, de co-hoofdauteur.

ST12-germanium heeft een tetragonale structuur - de naam ST12 betekent "eenvoudige tetragonaal met 12 atomen." (Zie afbeelding) Het werd gemaakt door germanium onder ongeveer 138 keer de normale atmosferische druk (14 gigapascal) te brengen en het vervolgens langzaam bij kamertemperatuur te decomprimeren.

De millimetergrote monsters van ST12-germanium die het team maakte, waren groot genoeg om te kunnen worden bestudeerd met behulp van een verscheidenheid aan spectroscopische technieken om de langbesproken kenmerken ervan te bevestigen.

Zoals de meest voorkomende, diamant-kubieke vorm van germanium, ze ontdekten dat ST12 een halfgeleider is met een zogenaamde indirecte bandgap. Metalen stoffen geleiden elektrische stroom gemakkelijk, terwijl isolatiematerialen helemaal geen stroom geleiden. Halfgeleidende materialen vertonen mid-range elektrische geleidbaarheid. Wanneer halfgeleidende materialen worden onderworpen aan een invoer van een specifieke energie, gebonden elektronen kunnen worden verplaatst naar hogere energie, staten leiden. De specifieke energie die nodig is om deze sprong naar de geleidende toestand te maken, wordt gedefinieerd als de "band gap". Terwijl directe bandgapmaterialen licht effectief kunnen absorberen en uitstralen, indirecte bandgapmaterialen kunnen dat niet.

"Ons team was in staat om de optische band gap van ST12 te kwantificeren - waar zichtbare lichtenergie door het materiaal kan worden geabsorbeerd - evenals de elektrische en thermische eigenschappen ervan, die zal helpen het potentieel voor praktische toepassingen te definiëren, " zei Strobel. "Onze bevindingen geven aan dat vanwege de grootte van de band gap, ST12-germanium is mogelijk een beter materiaal voor infrarooddetectie en beeldvormingstechnologie dan de diamant-kubusvorm van het element dat al voor deze doeleinden wordt gebruikt."