Halvledarkiseln ligger i hjärtat av den nuvarande revolutionen inom elektronik och datoranvändning. Särskilt, den kan producera kompakta integrerade kretsar när de bearbetas med modern teknik som kan tillverka strukturer som bara är några nanometer stora.

Nu, Man-Fai Ng och Teck Leong Tan vid A*STAR Institute of High Performance Computing i Singapore har visat att blandning av kisel med liknande material kan öppna dörren till tillverkning av enheter i nanoskala med en mångfald av egenskaper som har ett bredare utbud av applikationer.

Ng och Tan använde state-of-the-art datorsimuleringar för att bedöma den strukturella stabiliteten och elektroniska egenskaperna hos kiselbaserade nanotrådar. Som deras namn antyder, nanotrådar är bara några nanometer breda men kan bli upp till en millimeter långa. De uppvisar ovanliga elektroniska egenskaper eftersom deras lilla bredd begränsar elektronernas rörelse över tråden.

Egenskaperna hos nanotrådar av kisel är väletablerade, men det finns ett stort utrymme att utöka deras tillämplighet. Forskare räknar med att de skulle kunna realisera ett mer varierat utbud av egenskaper genom att delvis ersätta kisel med andra element som finns i samma kolumn som kisel i det periodiska systemet. Det finns många potentiella material – inklusive kol, germanium och tenn – som var och en kan kombineras med kisel i valfritt förhållande för att bilda en legering.

Följaktligen, det totala antalet möjliga legeringar är enormt. Forskarna gjorde därför en omfattande sökning av alla dessa kiselbaserade legeringar för att avgöra vilka som är atomärt stabila och vilka som har de bästa egenskaperna för nanotrådsenheter.

Ng och Tan använde tre matematiska tekniker (nämligen, densitetsfunktionsteori, klusterexpansionsmetoden och Monte Carlo-metoden) för att simulera olika atomarrangemang i nanotrådar.

"Istället för att utvärdera alla möjliga legeringsstrukturer, vår multiskaliga simuleringsmetod möjliggjorde snabb storskalig jämförelse av olika kombinationer av legeringsstrukturer och valde ut de termodynamiskt stabila, " förklarade Ng.

De mest stabila germanium-kisel och tenn-kisel nanotrådar visade sig vara de där kiselatomerna är koncentrerade runt kanten av tråden och de andra atomarterna är i kärnan. Omvänt, en optimal kol-kisel nanotråd uppvisade ett ordnat arrangemang av atomarten.

När de väl hade identifierat det optimala atomarrangemanget, Ng och Tan beräknade energibandgapet - en kritisk parameter för att bestämma de elektroniska egenskaperna hos halvledare. "Nästa, vi planerar att förbättra förutsägelsen av bandgap för kiselbaserade nanotrådar och utveckla vår strategi för att hantera mer komplicerade nanosystem för energitillämpningar, säger Ng.