Ett team under ledning av Carnegies Thomas Shiell och Timothy Strobel utvecklade en ny metod för att syntetisera en ny kristallin form av kisel med en sexkantig struktur som potentiellt kan användas för att skapa nästa generations elektroniska och energiapparater med förbättrade egenskaper som överstiger de för "normala" "kubisk form av kisel som används idag.

Deras verk publiceras i Fysiska granskningsbrev .

Kisel spelar en stor roll i människolivet. Det är det näst mest förekommande elementet i jordskorpan. När det blandas med andra element, det är viktigt för många bygg- och infrastrukturprojekt. Och i ren elementform, det är tillräckligt avgörande för att beräkna att det mångåriga tekniska navet i USA - Kaliforniens Silicon Valley - fick smeknamnet för att hedra det.

Liksom alla element, kisel kan ha olika kristallina former, kallas allotroper, på samma sätt som mjuk grafit och superhård diamant båda är kolformer. Den kiselform som oftast används i elektroniska enheter, inklusive datorer och solpaneler, har samma struktur som diamant. Trots dess allestädes närvarande, denna form av kisel är faktiskt inte helt optimerad för nästa generations applikationer, inklusive högpresterande transistorer och några solcellsanordningar.

Även om många olika kiselallotroper med förbättrade fysikaliska egenskaper är teoretiskt möjliga, bara en handfull existerar i praktiken med tanke på bristen på kända syntetiska vägar som för närvarande är tillgängliga.

Strobels laboratorium hade tidigare utvecklat en revolutionerande ny form av kisel, kallas Si ₂₄ , som har ett öppet ramverk som består av en serie endimensionella kanaler. I detta nya arbete, Shiell och Strobel ledde ett team som använde Si ₂₄ som utgångspunkt i en flerstegssyntesväg som resulterade i mycket orienterade kristaller i en form som kallas 4H-kisel, uppkallad efter sina fyra upprepande lager i en sexkantig struktur.

"Intresset för sexkantigt kisel går tillbaka till 1960 -talet, på grund av möjligheten att ställa in elektroniska egenskaper, vilket kan förbättra prestanda bortom den kubiska formen "förklarade Strobel.

Sexkantiga former av kisel har syntetiserats tidigare, men bara genom avsättning av tunna filmer eller som nanokristaller som samexisterar med stört material. Det nyligen demonstrerade Si ₂₄ pathway ger den första högkvalitativa, bulk -kristaller som fungerar som grund för framtida forskningsaktiviteter.

Med hjälp av det avancerade datorverktyget PALLAS, som tidigare utvecklats av medlemmar i teamet för att förutsäga strukturella övergångsvägar - som hur vatten blir ånga vid uppvärmning eller is när det fryses - kunde gruppen förstå övergångsmekanismen från Si ₂₄ till ⁴ H ^- Si, och det strukturella förhållandet som gör det möjligt att bevara högorienterade produktkristaller.

"Förutom att utöka vår grundläggande kontroll över syntesen av nya strukturer, upptäckten av stora 4H-kiselkristaller öppnar dörren till spännande framtida forskningsutsikter för att ställa in de optiska och elektroniska egenskaperna genom stamteknik och elementär substitution, "Sade Shiell." Vi kan eventuellt använda den här metoden för att skapa frökristaller för att odla stora volymer av 4H -strukturen med egenskaper som potentiellt överstiger diamantkiselns egenskaper. "