Le silicium semi-conducteur est au cœur de la révolution actuelle de l'électronique et de l'informatique. En particulier, il peut produire des circuits intégrés compacts lorsqu'il est traité par des techniques modernes capables de fabriquer des structures de quelques nanomètres seulement.

Maintenant, Man-Fai Ng et Teck Leong Tan de l'A*STAR Institute of High Performance Computing à Singapour ont montré que le mélange de silicium avec des matériaux similaires peut ouvrir la porte à la fabrication de dispositifs nanométriques avec un large éventail de propriétés qui ont un plus large éventail de applications.

Ng et Tan ont utilisé des simulations informatiques de pointe pour évaluer la stabilité structurelle et les propriétés électroniques des nanofils à base de silicium. Comme leur nom l'indique, les nanofils ne mesurent que quelques nanomètres de large mais peuvent atteindre un millimètre de long. Ils présentent des propriétés électroniques inhabituelles car leur faible largeur limite le mouvement des électrons à travers le fil.

Les propriétés des nanofils de silicium sont bien établies, mais il existe une marge considérable pour étendre leur applicabilité. Les scientifiques prévoient qu'ils pourraient réaliser une gamme plus diversifiée de caractéristiques en remplaçant partiellement le silicium par d'autres éléments qui se trouvent dans la même colonne que le silicium dans le tableau périodique. Il existe de nombreux matériaux potentiels, notamment le carbone, le germanium et l'étain, chacun pouvant être combiné avec du silicium dans n'importe quel rapport pour former un alliage.

Par conséquent, le nombre total d'alliages possibles est immense. Les chercheurs ont donc entrepris une recherche approfondie de tous ces alliages à base de silicium pour déterminer lesquels sont atomiquement stables et lesquels ont les meilleures propriétés pour les dispositifs à nanofils.

Ng et Tan ont utilisé trois techniques mathématiques (à savoir, la théorie fonctionnelle de la densité, la méthode d'expansion de cluster et la méthode de Monte Carlo) pour simuler différents arrangements atomiques dans les nanofils.

"Au lieu d'évaluer toutes les structures d'alliage possibles, notre approche de simulation multi-échelle a permis une comparaison rapide à grande échelle de différentes combinaisons de structures d'alliages et a sélectionné celles qui sont thermodynamiquement stables, " a expliqué Ng.

Les nanofils germanium-silicium et étain-silicium les plus stables se sont avérés être ceux dans lesquels les atomes de silicium sont concentrés autour du fil et les autres espèces atomiques sont au cœur. Inversement, un nanofil carbone-silicium optimal présentait un arrangement ordonné des espèces atomiques.

Une fois qu'ils ont identifié l'arrangement atomique optimal, Ng et Tan ont calculé la bande interdite d'énergie, un paramètre critique pour déterminer les propriétés électroniques des semi-conducteurs. "Prochain, nous prévoyons d'améliorer la prédiction de la bande interdite pour les nanofils à base de silicium et de développer notre approche pour aborder des nanosystèmes plus complexes pour des applications énergétiques, " dit Ng.