Un team guidato da Thomas Shiell e Timothy Strobel di Carnegie ha sviluppato un nuovo metodo per sintetizzare una nuova forma cristallina di silicio con una struttura esagonale che potrebbe essere potenzialmente utilizzata per creare dispositivi elettronici ed energetici di prossima generazione con proprietà migliorate che superano quelle del "normale "forma cubica di silicio usata oggi.

Il loro lavoro è pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Il silicio svolge un ruolo fuori misura nella vita umana. È il secondo elemento più abbondante nella crosta terrestre. Quando mescolato con altri elementi, è essenziale per molti progetti di costruzione e infrastruttura. E in pura forma elementare, è abbastanza cruciale per calcolare che il centro tecnologico di lunga data degli Stati Uniti, la Silicon Valley in California, è stato soprannominato in onore di esso.

Come tutti gli elementi, il silicio può assumere diverse forme cristalline, chiamati allotropi, allo stesso modo che la grafite morbida e il diamante superduro sono entrambe forme di carbonio. La forma di silicio più comunemente usata nei dispositivi elettronici, compresi computer e pannelli solari, ha la stessa struttura del diamante. Nonostante la sua ubiquità, questa forma di silicio non è in realtà completamente ottimizzata per le applicazioni di prossima generazione, compresi transistor ad alte prestazioni e alcuni dispositivi fotovoltaici.

Sebbene siano teoricamente possibili molti allotropi di silicio diversi con proprietà fisiche migliorate, in pratica ne esistono solo una manciata data la mancanza di percorsi sintetici conosciuti che siano attualmente accessibili.

Il laboratorio di Strobel aveva precedentemente sviluppato una nuova forma rivoluzionaria di silicio, chiamato Si ₂₄ , che ha una struttura aperta composta da una serie di canali unidimensionali. In questo nuovo lavoro, Shiell e Strobel guidavano una squadra che usava Si ₂₄ come punto di partenza in un percorso di sintesi multistadio che ha portato a cristalli altamente orientati in una forma chiamata silicio 4H, chiamato per i suoi quattro strati ripetuti in una struttura esagonale.

"L'interesse per il silicio esagonale risale agli anni '60, a causa della possibilità di proprietà elettroniche sintonizzabili, che potrebbe migliorare le prestazioni oltre la forma cubica", ha spiegato Strobel.

Forme esagonali di silicio sono state sintetizzate in precedenza, ma solo attraverso la deposizione di film sottili o come nanocristalli che convivono con materiale disordinato. Il nuovo Si . dimostrato ₂₄ percorso produce il primo di alta qualità, cristalli sfusi che servono come base per future attività di ricerca.

Utilizzando lo strumento informatico avanzato chiamato PALLAS, che è stato precedentemente sviluppato dai membri del team per prevedere i percorsi di transizione strutturale, come il modo in cui l'acqua diventa vapore quando viene riscaldata o ghiaccio quando viene congelata, il gruppo è stato in grado di comprendere il meccanismo di transizione da Si ₂₄ a ⁴ h ^- si, e la relazione strutturale che consente la conservazione di cristalli di prodotto altamente orientati.

"Oltre ad espandere il nostro controllo fondamentale sulla sintesi di nuove strutture, la scoperta di cristalli di silicio 4H sfusi apre le porte a entusiasmanti prospettive di ricerca future per la messa a punto delle proprietà ottiche ed elettroniche attraverso l'ingegneria della deformazione e la sostituzione elementare, "Shiell ha detto. "Potremmo potenzialmente utilizzare questo metodo per creare cristalli di semi per far crescere grandi volumi della struttura 4H con proprietà che potenzialmente superano quelle del silicio di diamante".