Il silicio semiconduttore è al centro dell'attuale rivoluzione nell'elettronica e nell'informatica. In particolare, può produrre circuiti integrati compatti se processato da moderne tecniche in grado di fabbricare strutture di appena pochi nanometri.

Ora, Man-Fai Ng e Teck Leong Tan dell'A*STAR Institute of High Performance Computing di Singapore hanno dimostrato che la miscelazione di silicio con materiali simili può aprire la porta alla fabbricazione di dispositivi su scala nanometrica con una vasta gamma di proprietà che hanno una gamma più ampia di applicazioni.

Ng e Tan hanno utilizzato simulazioni al computer all'avanguardia per valutare la stabilità strutturale e le proprietà elettroniche dei nanofili a base di silicio. Come suggerisce il nome, i nanofili sono larghi solo pochi nanometri ma possono essere lunghi fino a un millimetro. Presentano proprietà elettroniche insolite perché la loro larghezza ridotta limita il movimento degli elettroni attraverso il filo.

Le proprietà dei nanofili di silicio sono ben consolidate, ma c'è un ampio margine per ampliare la loro applicabilità. Gli scienziati prevedono di poter realizzare una gamma più diversificata di caratteristiche sostituendo parzialmente il silicio con altri elementi che si trovano nella stessa colonna del silicio nella tavola periodica. Esistono molti materiali potenziali, tra cui carbonio, germanio e stagno, ciascuno dei quali può essere combinato con il silicio in qualsiasi rapporto per formare una lega.

Di conseguenza, il numero totale di leghe possibili è immenso. I ricercatori hanno quindi intrapreso una ricerca completa di tutte queste leghe a base di silicio per determinare quali sono atomicamente stabili e quali hanno le migliori proprietà per i dispositivi a nanofili.

Ng e Tan impiegarono tre tecniche matematiche (vale a dire, teoria del funzionale della densità, il metodo di espansione dei cluster e il metodo Monte Carlo) per simulare diverse disposizioni atomiche nei nanofili.

"Invece di valutare tutte le possibili strutture in lega, il nostro approccio di simulazione multiscala ha consentito un rapido confronto su larga scala di diverse combinazioni di strutture in lega e selezionato quelle termodinamicamente stabili, " ha spiegato Ng.

Si è scoperto che i nanofili di germanio-silicio e stagno-silicio più stabili sono quelli in cui gli atomi di silicio sono concentrati attorno al bordo del filo e le altre specie atomiche sono al centro. Al contrario, un nanofilo di silicio-carbonio ottimale ha mostrato una disposizione ordinata delle specie atomiche.

Una volta individuata la disposizione atomica ottimale, Ng e Tan hanno calcolato il bandgap energetico, un parametro critico per determinare le proprietà elettroniche dei semiconduttori. "Prossimo, abbiamo in programma di migliorare la previsione del bandgap per i nanofili a base di silicio e sviluppare il nostro approccio per affrontare nanosistemi più complicati per applicazioni energetiche, "dice Ng.