Новая форма кремния для электронных устройств следующего поколения

Команда, возглавляемая Томасом Шиллом (Thomas Shiell) и Тимоти Штробелем (Timothy Strobel) из Карнеги, разработала метод синтеза новой кристаллической формы кремния с гексагональной структурой, которая потенциально может быть использована для создания электронных и энергетических устройств следующего поколения с улучшенными свойствами, превосходящими «обычные» кубические формы, используемая сегодня.

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. Он настолько важен для вычислений, что давний технологический центр США - Кремниевая долина в Калифорнии - получил прозвище в честь него.

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 путей синтеза, доступных в настоящее время.

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 синтезе, результатом которого стали высокоориентированные кристаллы в форме, названной в честь четырех повторяющихся слоев в гексагональной структуре 4H-кремнием.

«Интерес к гексагональному кремнию возник еще в 1960-х годах из-за возможности настраиваемых электронных свойств, которые могли бы улучшить характеристики сверх 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 способ 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 структурного перехода, 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 посредством инженерии деформаций 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».

Визуализация структуры 4H-Si перпендикулярно гексагональной оси. Микрофотография просвечивающего электронного микроскопа, показывающая последовательность укладки, отображается на заднем плане