Химики получили кристаллы четырехслойного гексагонального кремния

Австралийские и американские химики впервые синтезировали кристаллы кремния с четырехслойной гексагональной решеткой. В результате отжига монокристаллов состава Si24 удалось получить полупроводящие кристаллы гексагонального кремния размером в несколько микрометров. Если получить такие же кристаллы большего размера, то своим электронным свойствам они могут обойти обычный кубический кремний, пишут ученые в Physical Review Letters.

Самая распространенная модификация кремния имеет алмазоподобную кристаллическую решетку. Именно эта кубическая фаза термодинамически устойчива при комнатных условиях, и такой кремний используется во всех полупроводниковых электронных устройствах. Но, как и углерода, у кремния есть несколько альтернативных аллотропных форм, правда, в обычных условиях — при комнатной температуре и атмосферном давлении — все другие кристаллические фазы кремния (например ромоэдрический кремний-XII, тетраэдрический кремний-III и различные клатратные структуры) метастабильны.

Однако по теоретическим оценкам, другие аллотропные формы кремния (в частности с гексагональной структурой) могут обладать довольно необычными электронными свойствами и перспективны для использования в электронных устройствах. Например, в 2018 году корейские ученые предсказали существование стабильной при атмосферном давлении металлической фазы кремния, которая при температуре около 12 кельвинов становится сверхпроводником. А полупроводниковые гексагональные формы кремния интересны тем, что у них можно подстраивать ширину запрещенной зоны за счет введения в структуру кристаллов атомов германия или внешней механической нагрузке.

Гексагональных модификаций у кремния может быть несколько, в зависимости от того, как уложены в решетке отдельные слои атомов. Если тетраэдрические слои в решетке чередуются парами (..ABAB..), тогда у кремния (2H-Si) будет структура лонсдейлита. Метастабильный кремний с такой структурой уже удавалось получать из промежуточных кристаллических фаз высокого давления (например из нитрида кремния), но все они были слабо упорядочены: области с нужной кристаллической структурой были нанометрового размера.

Австралийские и американские химики под руководством Тимоти Стробела (Timothy A. Strobel) из Института Карнеги смогли синтезировать устойчивую фазу гексагонального кремния, но не со структурой лонсдейлита, а с четырехслойной структурой — 4H-Si. В ней слои атомов кремния одного типа чередуются не парами, а четверками (..ABCBABCB..). Чтобы получить такую кристаллическую форму, химики взяли монокристаллы состава Si24 — это еще одна аллотропная модификация кремния, впервые полученная этой же группой ученых в 2014 году, — и отжигали их в течение нескольких суток при температурах от 200 до 400 градусов Цельсия.

Структуры кристалла Si24 (синие шарики) и синтезированного из него гексагонального кремния 4H-Si

В результате авторы работы получили четырехслойный гексагональный кремний с параметрами решетки 0,384 и 1,259 нанометра. Интересно, что ориентация слоев в структуре этого кристалла полностью соответствовала структуре кристалла Si24, из которой она образовалась. Ширина непрямой запрещенной полученного кремния зоны составила 1,2 элеткронвольта — это согласуется с предварительными теоретическими расчетами (для сравнения, кубический кремний, который используется в современной электронике — это тоже непрямозонный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,12 электровольта). При этом, в отличие от предыдущих попыток синтеза гексагонального кремния, ученым удалось получить не загрязненные примесями монокристаллы размером несколько микрометров.

Картина рентгеновской дифракции на полученном кристалле гексагонального кремния 4H-Si

По словам авторов работы, если в такую структуру внедрить атомы германия, то таким образом можно будет управлять электронными параметрами материала — например, превратить его в прямозонный полупроводник. Исследователи считают, что если удастся получить кристаллы гексагонального кремния большего размера (например, используя полученные в этой работе микрометровые кристаллы в качестве затравочных), то они могут обойти по своим параметрам в том числе и обычный кубический кремний.

Если у кремния только одна кристаллическая модификация распространена и без сложностей образуется при обычных условий, то у углерода устойчивых аллотропных форм довольно много. Несмотря на это, ученые продолжают находить новые формы углерода и сейчас. Например, недавно химики синтезировали новую небензоидную форму двумерного углерода — бифениленовую сеть, в которой атомы углерода образуют четырех-, шести- и восьмичленные циклы.

Александр Дубов

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 08.06.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии