Их работа опубликована в Physical Review Letters.
Кремний играет огромную роль в жизни человека. Это второй по распространенности элемент в земной коре. В сочетании с другими элементами он необходим для многих строительных и инфраструктурных проектов.
И в чистой элементарной форме это достаточно важно для вычислений, чтобы давний технологический центр U.S. — Силиконовая долина Калифорнии – в честь нее прозвали.
Как и все элементы, кремний может принимать различные кристаллические формы, называемые аллотропами, точно так же, как мягкий графит и сверхтвердый алмаз являются формами углерода. Форма кремния, наиболее часто используемая в электронных устройствах, включая компьютеры и солнечные панели, имеет ту же структуру, что и алмаз. Несмотря на повсеместное распространение, эта форма кремния на самом деле не полностью оптимизирована для приложений следующего поколения, включая высокопроизводительные транзисторы и некоторые фотоэлектрические устройства.
Хотя теоретически возможно множество различных аллотропов кремния с улучшенными физическими свойствами, на практике существует лишь несколько из них, учитывая отсутствие известных синтетических путей, которые в настоящее время доступны.
Лаборатория Штробеля ранее разработала революционно новую форму кремния, названную Si24, которая имеет открытый каркас, состоящий из серии одномерных каналов. В этой новой работе Шиелл и Штробель возглавили команду, которая использовала Si24 в качестве отправной точки в многоступенчатом пути синтеза, результатом которого стали высокоориентированные кристаллы в форме, называемой 4H-кремнием, названной в честь четырех повторяющихся слоев в гексагональной структуре.
«Интерес к гексагональному кремнию возник еще в 1960-х годах из-за возможности настраиваемых электронных свойств, которые могли бы улучшить характеристики за пределами кубической формы», – пояснил Штробель.
Гексагональные формы кремния были синтезированы ранее, но только путем осаждения тонких пленок или в виде нанокристаллов, сосуществующих с неупорядоченным материалом.
Недавно продемонстрированный путь Si24 дает первые высококачественные объемные кристаллы, которые служат основой для будущих исследований.
Используя усовершенствованный вычислительный инструмент под названием PALLAS, который ранее был разработан членами команды для прогнозирования путей структурных переходов, например, как вода становится паром при нагревании или льдом при замораживании, группа смогла понять механизм перехода от Si24 к 4H. -Si, и структурные отношения, которые позволяют сохранять высокоориентированные кристаллы продукта.
«Помимо расширения нашего фундаментального контроля над синтезом новых структур, открытие объемных кристаллов 4H-кремния открывает дверь в захватывающие перспективы будущих исследований для настройки оптических и электронных свойств с помощью инженерии деформации и элементного замещения», – сказал Шиелл. «Мы могли бы потенциально использовать этот метод для создания затравочных кристаллов для выращивания больших объемов структуры 4H со свойствами, которые потенциально превосходят свойства алмазного кремния."