Germanium är kanske inte ett känt namn som kisel, dess gruppkamrat på det periodiska bordet, men den har stor potential för användning inom nästa generations elektronik och energiteknik.

Av särskilt intresse är former av germanium som kan syntetiseras i laboratoriet under extrema tryckförhållanden. Dock, en av de mest lovande formerna av germanium för praktiska tillämpningar, kallas ST12, har bara skapats i små urvalsstorlekar - för små för att definitivt bekräfta dess egenskaper.

"Försök att experimentellt eller teoretiskt fastställa ST12-germaniums egenskaper gav extremt varierande resultat, särskilt när det gäller dess elektriska konduktivitet, "sa Carnegies Zhisheng Zhao, den första författaren på ett nytt papper om denna form av germanium.

Studiens forskargrupp, ledd av Carnegies Timothy Strobel, kunde skapa ST12-germanium i en tillräckligt stor provstorlek för att bekräfta dess egenskaper och användbara egenskaper. Deras verk publiceras av Naturkommunikation .

"Detta arbete kommer att vara av intresse för ett brett spektrum av läsare inom materialvetenskap, fysik, kemi, och teknik, "förklarade Carnegies Haidong Zhang, den ledande författaren.

ST12-germanium har en tetragonal struktur-namnet ST12 betyder "enkel tetragonal med 12 atomer." (Se illustration) Det skapades genom att sätta germanium under cirka 138 gånger normalt atmosfärstryck (14 gigapascal) och sedan dekomprimera det långsamt vid rumstemperatur.

De millimeterstora proverna av ST12-germanium som teamet skapade var tillräckligt stora för att de skulle kunna studeras med olika spektroskopiska tekniker för att bekräfta dess länge debatterade egenskaper.

Som den vanligaste, diamantkubisk form av germanium, de fann att ST12 är en halvledare med ett så kallat indirekt bandgap. Metalliska ämnen leder lätt elektrisk ström, medan isolerande material inte leder någon ström alls. Halvledande material uppvisar mellanliggande elektrisk konduktivitet. När halvledande material utsätts för inmatning av en specifik energi, bundna elektroner kan flyttas till högre energi, ledande stater. Den specifika energi som krävs för att göra detta hopp till det ledande tillståndet definieras som "bandgapet". Medan material med direkt bandgap effektivt kan absorbera och avge ljus, indirekt bandgapmaterial kan inte.

"Vårt team kunde kvantifiera ST12:s optiska bandgap - där synlig ljusenergi kan absorberas av materialet - liksom dess elektriska och termiska egenskaper, vilket hjälper till att definiera dess potential för praktiska tillämpningar, "Strobel sa." Våra resultat tyder på att på grund av storleken på bandgapet, ST12-germanium kan vara ett bättre material för infraröd detektering och bildteknik än diamantkubisk form av elementet som redan används för dessa ändamål. "