Crédito:Carnegie Institution for Science
Uma equipe liderada por Thomas Shiell e Timothy Strobel da Carnegie desenvolveu um novo método para sintetizar uma nova forma cristalina de silício com uma estrutura hexagonal que poderia ser usada para criar dispositivos eletrônicos e de energia de próxima geração com propriedades aprimoradas que excedem as do "normal "forma cúbica de silício usada hoje.
Seu trabalho é publicado em Cartas de revisão física .
O silício desempenha um papel desproporcional na vida humana. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Quando misturado com outros elementos, é essencial para muitos projetos de construção e infraestrutura. E na forma elementar pura, é crucial o suficiente para a computação que o centro tecnológico de longa data dos EUA - o Vale do Silício da Califórnia - foi apelidado em homenagem a ele.
Como todos os elementos, o silício pode assumir diferentes formas cristalinas, chamados alótropos, da mesma forma que a grafite macia e o diamante superduro são formas de carbono. A forma de silício mais comumente usada em dispositivos eletrônicos, incluindo computadores e painéis solares, tem a mesma estrutura do diamante. Apesar de sua onipresença, esta forma de silício não é totalmente otimizada para aplicações de próxima geração, incluindo transistores de alto desempenho e alguns dispositivos fotovoltaicos.
Embora muitos alótropos de silício diferentes com propriedades físicas aprimoradas sejam teoricamente possíveis, apenas um punhado existe na prática, dada a falta de vias sintéticas conhecidas que estão atualmente acessíveis.
Visualização da estrutura do 4H-Si perpendicular ao eixo hexagonal. Uma micrografia eletrônica de transmissão mostrando a seqüência de empilhamento é exibida no fundo. Crédito:Thomas Shiell e Timothy Strobel
O laboratório de Strobel já havia desenvolvido uma nova forma revolucionária de silício, chamado Si 24 , que tem uma estrutura aberta composta por uma série de canais unidimensionais. Neste novo trabalho, Shiell e Strobel lideraram uma equipe que usou Si 24 como o ponto de partida em uma via de síntese de vários estágios que resultou em cristais altamente orientados em uma forma chamada 4H-silício, nomeado por suas quatro camadas repetidas em uma estrutura hexagonal.
"O interesse pelo silício hexagonal remonta à década de 1960, devido à possibilidade de propriedades eletrônicas ajustáveis, o que poderia melhorar o desempenho além da forma cúbica ", explicou Strobel.
Formas hexagonais de silício foram sintetizadas anteriormente, mas apenas através da deposição de filmes finos ou como nanocristais que coexistem com material desordenado. O Si recém-demonstrado 24 caminho produz o primeiro de alta qualidade, cristais a granel que servem de base para futuras atividades de pesquisa.
Usando a ferramenta de computação avançada chamada PALLAS, que foi desenvolvido anteriormente por membros da equipe para prever os caminhos de transição estrutural - como a água se transforma em vapor quando aquecida ou gelo quando congelada - o grupo foi capaz de entender o mecanismo de transição do Si 24 para 4 H - Si, e a relação estrutural que permite a preservação de cristais de produto altamente orientados.
"Além de expandir nosso controle fundamental sobre a síntese de novas estruturas, a descoberta de cristais de silício 4H em massa abre a porta para excitantes perspectivas de pesquisas futuras para ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas por meio de engenharia de deformação e substituição elementar, "Shiell disse." Poderíamos potencialmente usar este método para criar cristais de sementes para fazer crescer grandes volumes da estrutura 4H com propriedades que potencialmente excedem as do silício de diamante. "
