新形式的硅可以实现下一代电子和能源设备的性能提升

卡内基科学研究所

由卡内基的 Thomas Shiell 和 Timothy Strobel 领导的一个团队开发了一种新方法，用于合成具有六边形结构的新型硅晶体形式，该方法有可能用于制造具有增强性能的下一代电子和能源设备，其性能超过“正常”。“今天使用的立方体形式的硅。

他们的工作论文发表在《物理评论快报》上。

硅在人类生活中发挥着巨大的作用。它是地壳中含量第二丰富的元素。当与其他元素混合时，它对许多建筑和基础设施项目至关重要。在纯元素形式中，美国历史悠久的技术中心——加利福尼亚的硅谷——的绰号是为了纪念它，这一点对于计算来说已经足够重要了。

与所有元素一样，硅可以采用不同的晶体形式，称为同素异形体，就像软石墨和超硬金刚石都是碳的形式一样。电子设备（包括计算机和太阳能电池板）中最常用的硅形式与金刚石具有相同的结构。尽管它无处不在，但这种形式的硅实际上并未完全针对下一代应用进行优化，包括高性能晶体管和一些光伏设备。

虽然理论上可能存在许多具有增强物理性质的不同硅同素异形体，但由于缺乏目前可用的已知合成途径，因此在实践中只存在少数几种。

垂直于六边形轴观察的 4H-Si 结构的可视化。显示堆叠顺序的透射电子显微照片显示在背景中。图片来源：Thomas Shiell 和 Timothy Strobel

Strobel 的实验室此前曾开发出一种革命性的新型硅，称为 Si24，它具有由一系列一维通道组成的开放框架。在这项新工作中，Shiell 和 Strobel 领导的团队使用 Si24 作为多阶段合成途径的起点，产生了一种称为 4H-硅的高度取向晶体，以六边形结构中的四个重复层命名。

“对六方硅的兴趣可以追溯到 1960 年代，因为可调电子特性的可能性，这可以提高立方体以外的性能，”Strobel 解释说。

之前已经合成了六方形式的硅，但只能通过薄膜的沉积或作为与无序材料共存的纳米晶体来合成。新展示的 Si24 途径产生了第一个高质量的块状晶体，作为未来研究活动的基础。

使用称为 PALLAS 的高级计算工具，该工具之前由团队成员开发，用于预测结构转变路径——例如水在加热时如何变成蒸汽或在冻结时如何变成冰——该小组能够理解从 Si24 到 4H-Si 的转变机制，以及允许保存高度定向的产品晶体的结构关系。

“除了扩大我们对新结构合成的基本控制之外，块状 4H 硅晶体的发现为通过应变工程和元素替代调整光学和电子特性的令人兴奋的未来研究前景打开了大门，”Shiell 说。“我们可能会使用这种方法来制造晶种，以生长大量 4H 结构，其特性可能超过金刚石硅。”

source: phys.org