Une équipe dirigée par Thomas Shiell et Timothy Strobel de Carnegie a développé une nouvelle méthode pour synthétiser une nouvelle forme cristalline de silicium avec une structure hexagonale qui pourrait potentiellement être utilisée pour créer des dispositifs électroniques et énergétiques de prochaine génération avec des propriétés améliorées qui dépassent celles de la « normale " forme cubique du silicium utilisé aujourd'hui.

Leurs travaux sont publiés dans Lettres d'examen physique .

Le silicium joue un rôle démesuré dans la vie humaine. C'est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre. Lorsqu'il est mélangé avec d'autres éléments, il est essentiel pour de nombreux projets de construction et d'infrastructure. Et sous forme élémentaire pure, il est suffisamment crucial pour l'informatique que le centre technologique de longue date des États-Unis - la Silicon Valley de Californie - a été surnommé en son honneur.

Comme tous les éléments, le silicium peut prendre différentes formes cristallines, appelés allotropes, de la même manière que le graphite mou et le diamant super dur sont tous deux des formes de carbone. La forme de silicium la plus couramment utilisée dans les appareils électroniques, y compris les ordinateurs et les panneaux solaires, a la même structure que le diamant. Malgré son omniprésence, cette forme de silicium n'est en fait pas entièrement optimisée pour les applications de nouvelle génération, y compris les transistors haute performance et certains dispositifs photovoltaïques.

Alors que de nombreux allotropes de silicium différents avec des propriétés physiques améliorées sont théoriquement possibles, seule une poignée existe en pratique étant donné le manque de voies de synthèse connues qui sont actuellement accessibles.

Le laboratoire de Strobel avait déjà développé une nouvelle forme révolutionnaire de silicium, appelé Si 24 , qui a un cadre ouvert composé d'une série de canaux unidimensionnels. Dans ce nouveau travail, Shiell et Strobel ont dirigé une équipe qui a utilisé Si 24 comme point de départ d'une voie de synthèse en plusieurs étapes qui a abouti à des cristaux hautement orientés sous une forme appelée 4H-silicium, nommé pour ses quatre couches répétitives dans une structure hexagonale.

"L'intérêt pour le silicium hexagonal remonte aux années 1960, en raison de la possibilité de propriétés électroniques accordables, ce qui pourrait améliorer les performances au-delà de la forme cubique », a expliqué Strobel.

Des formes hexagonales de silicium ont été synthétisées précédemment, mais uniquement par le dépôt de couches minces ou sous forme de nanocristaux qui coexistent avec des matériaux désordonnés. Le Si nouvellement démontré 24 voie produit le premier de haute qualité, cristaux en vrac qui servent de base aux futures activités de recherche.

En utilisant l'outil informatique avancé appelé PALLAS, qui a été précédemment développé par les membres de l'équipe pour prédire les voies de transition structurelles, comme la façon dont l'eau se transforme en vapeur lorsqu'elle est chauffée ou en glace lorsqu'elle est gelée, le groupe a pu comprendre le mécanisme de transition de Si 24 à ⁴ H ^- Si, et la relation structurelle qui permet la conservation des cristaux de produit hautement orientés.

"En plus d'étendre notre contrôle fondamental sur la synthèse de nouvelles structures, la découverte de cristaux de silicium 4H en vrac ouvre la porte à des perspectives de recherche futures passionnantes pour le réglage des propriétés optiques et électroniques grâce à l'ingénierie des contraintes et à la substitution élémentaire, " a déclaré Shiell. " Nous pourrions potentiellement utiliser cette méthode pour créer des germes de cristaux pour faire croître de grands volumes de la structure 4H avec des propriétés qui dépassent potentiellement celles du silicium diamant. "