Μια ομάδα με επικεφαλής τους Thomas Shiell και τον Timothy Strobel του Carnegie Institution for Science ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο μέσα από την οποία μπορούν να συνθέσουν μια νέα μορφή πυριτίου με εξαγωνική δομή που θα μπορούσε ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ηλεκτρονικών και ενεργειακών συσκευών επόμενης γενιάς με βελτιωμένες ιδιότητες που υπερβαίνουν αυτές της “κανονικής” κυβικής μορφής πυριτίου που χρησιμοποιείται σήμερα.
Το έργο τους δημοσιεύεται στο Physical Review Letters.
Το πυρίτιο παίζει πολύ μεγάλο ρόλο στην ανθρώπινη ζωή. Είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στον φλοιό της Γης. Όταν συνδυάζεται με άλλα στοιχεία, είναι απαραίτητο για πολλά έργα κατασκευής και υποδομής. Και σε καθαρή στοιχειώδη μορφή, είναι αρκετά σημαντικό για τον υπολογισμό και ότι ο μακροχρόνιος τεχνολογικός κόμβος των ΗΠΑ – η Silicon Valley της Καλιφόρνιας – πήρε το παρατσούκλι του προς τιμήν του.
Όπως όλα τα στοιχεία, το πυρίτιο μπορεί να λάβει διαφορετικές κρυσταλλικές μορφές, που ονομάζονται αλλότροπες, με τον ίδιο τρόπο που ο μαλακός γραφίτης και το εξαιρετικά σκληρό διαμάντι είναι και οι δύο μορφές άνθρακα. Η μορφή του πυριτίου που χρησιμοποιείται πιο συχνά σε ηλεκτρονικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων υπολογιστών και των ηλιακών συλλεκτών, έχει την ίδια δομή με το διαμάντι. Παρά την πανταχού παρουσία του, αυτή η μορφή πυριτίου δεν είναι πραγματικά πλήρως βελτιστοποιημένη για εφαρμογές επόμενης γενιάς, συμπεριλαμβανομένων τρανζίστορ υψηλής απόδοσης και ορισμένων φωτοβολταϊκών συσκευών.
Αν και υπάρχουν θεωρητικά πολλά διαφορετικά αλλοτρόπα πυριτίου με βελτιωμένες φυσικές ιδιότητες, μόνο στην πράξη υπάρχει μια χούφτα δεδομένης της έλλειψης γνωστών συνθετικών οδών που είναι επί του παρόντος προσβάσιμες.
Το εργαστήριο του Strobel είχε προηγουμένως αναπτύξει μια επαναστατική νέα μορφή πυριτίου, που ονομάζεται Si24, η οποία έχει ένα ανοιχτό πλαίσιο που αποτελείται από μια σειρά μονοδιάστατων καναλιών. Σε αυτό το νέο έργο, οι Shiell και Strobel οδήγησαν μια ομάδα που χρησιμοποίησε το Si24 ως σημείο εκκίνησης σε ένα μονοπάτι σύνθεσης πολλαπλών σταδίων που οδήγησε σε πολύ προσανατολισμένους κρυστάλλους σε μια μορφή που ονομάζεται 4Η-silicon, που ονομάστηκε για τα τέσσερα επαναλαμβανόμενα στρώματα σε μια εξαγωνική δομή.
“Το ενδιαφέρον για το εξαγωνικό πυρίτιο χρονολογείται από τη δεκαετία του 1960, λόγω της δυνατότητας συντονισμένων ηλεκτρονικών ιδιοτήτων, οι οποίες θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση πέρα από την κυβική μορφή“, εξήγησε ο Strobell.
Οι εξαγωνικές μορφές πυριτίου έχουν συντεθεί προηγουμένως, αλλά μόνο μέσω της εναπόθεσης λεπτών μεμβρανών ή ως νανοκρυστάλλων που συνυπάρχουν με διαταραγμένο υλικό. Η πρόσφατα αποδεδειγμένη διαδρομή Si24 παράγει τους πρώτους υψηλής ποιότητας χύδην κρυστάλλους που χρησιμεύουν ως βάση για μελλοντικές ερευνητικές δραστηριότητες.
Χρησιμοποιώντας το προηγμένο υπολογιστικό εργαλείο που ονομάζεται PALLAS, το οποίο είχε προηγουμένως αναπτυχθεί από μέλη της ομάδας για να προβλέψει δομικές διαδρομές μετάβασης – όπως πώς το νερό γίνεται ατμός όταν θερμαίνεται ή πάγος όταν παγώνει – η ομάδα μπόρεσε να κατανοήσει τον μηχανισμό μετάβασης από Si24 σε 4H-Si, και η δομική σχέση που επιτρέπει τη διατήρηση των πολύ προσανατολισμένων κρυστάλλων προϊόντων.
“Εκτός από την επέκταση του θεμελιώδους ελέγχου μας στη σύνθεση νέων δομών, η ανακάλυψη χύδην κρυστάλλων πυριτίου 4Η ανοίγει την πόρτα σε συναρπαστικές μελλοντικές ερευνητικές προοπτικές για συντονισμό των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων μέσω της μηχανικής καταπόνησης και της στοιχειακής αντικατάστασης“, δήλωσε ο Shiell. “Θα μπορούσαμε δυνητικά να χρησιμοποιήσουμε αυτήν τη μέθοδο για να δημιουργήσουμε κρυστάλλους σπόρων για να μεγαλώσουμε μεγάλους όγκους της δομής 4Η με ιδιότητες που πιθανώς υπερβαίνουν εκείνες του πυριτίου με διαμάντια“.
Επιστημονικό Άρθρο:
Thomas B. Shiell, Li Zhu, Brenton A. Cook, Jodie E. Bradby, Dougal G. McCulloch, Timothy A. Strobel. Bulk Crystalline 4H-Silicon through a Metastable Allotropic Transition. Physical Review Letters, 2021.
