Tecnologia Científica

Nova forma de silício pode permitir dispositivos eletrônicos e de energia de última geração
O silício desempenha um papel desproporcional na vida humana. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Quando misturado com outros elementos, é essencial para muitos projetos de construção e infraestrutura.
Por Carnegie Institution for Science - 12/06/2021


Crédito: Carnegie Institution for Science

Uma equipe liderada por Thomas Shiell e Timothy Strobel da Carnegie desenvolveu um novo método para sintetizar uma nova forma cristalina de silício com uma estrutura hexagonal que poderia ser usada para criar dispositivos eletrônicos e de energia de próxima geração com propriedades aprimoradas que excedem as do "normal "forma cúbica de silício usada hoje.

Seu trabalho foi publicado na Physical Review Letters .

O silício desempenha um papel desproporcional na vida humana. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Quando misturado com outros elementos, é essencial para muitos projetos de construção e infraestrutura. E na forma elementar pura, é crucial o suficiente para a computação que o centro tecnológico de longa data dos Estados Unidos - o Vale do Silício da Califórnia - tenha sido apelidado em homenagem a ele.

Como todos os elementos, o silício pode assumir diferentes formas cristalinas, chamadas alótropos, da mesma forma que a grafite macia e o diamante superduro são ambas formas de carbono. A forma de silício mais comumente usada em dispositivos eletrônicos , incluindo computadores e painéis solares, tem a mesma estrutura do diamante. Apesar de sua onipresença, essa forma de silício não é totalmente otimizada para aplicações de próxima geração, incluindo transistores de alto desempenho e alguns dispositivos fotovoltaicos.

Embora muitos alótropos de silício diferentes com propriedades físicas aprimoradas sejam teoricamente possíveis, apenas alguns existem na prática, dada a falta de vias sintéticas conhecidas que estão atualmente acessíveis.

Visualização da estrutura do 4H-Si perpendicular ao eixo hexagonal. Uma micrografia
eletrônica de transmissão mostrando a sequência de empilhamento é exibida
no fundo. Crédito: Thomas Shiell e Timothy Strobel

O laboratório de Strobel já havia desenvolvido uma nova forma revolucionária de silício, chamada Si 24 , que possui uma estrutura aberta composta por uma série de canais unidimensionais. Neste novo trabalho, Shiell e Strobel lideraram uma equipe que usou Si 24 como o ponto de partida em uma via de síntese de vários estágios que resultou em cristais altamente orientados em uma forma chamada 4H-silício, nomeada por suas quatro camadas repetidas em uma estrutura hexagonal .
 
"O interesse pelo silício hexagonal remonta à década de 1960, devido à possibilidade de propriedades eletrônicas ajustáveis, que poderiam melhorar o desempenho além da forma cúbica", explicou Strobel.

Formas hexagonais de silício já foram sintetizadas anteriormente, mas apenas por meio da deposição de filmes finos ou como nanocristais que coexistem com material desordenado. A via de Si 24 recentemente demonstrada produz os primeiros cristais de alta qualidade a granel que servem como base para futuras atividades de pesquisa.

Usando a ferramenta de computação avançada chamada PALLAS, que foi desenvolvida anteriormente por membros da equipe para prever os caminhos de transição estrutural - como como a água se transforma em vapor quando aquecida ou gelo quando congelada - o grupo foi capaz de entender o mecanismo de transição de Si 24 para 4 H - Si, e a relação estrutural que permite a preservação de cristais de produto altamente orientados.

"Além de expandir nosso controle fundamental sobre a síntese de novas estruturas, a descoberta de cristais de silício 4H em massa abre a porta para perspectivas de pesquisas futuras interessantes para ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas por meio de engenharia de deformação e substituição elementar", disse Shiell. "Poderíamos potencialmente usar este método para criar cristais de semente para fazer crescer grandes volumes da estrutura 4H com propriedades que potencialmente excedem as do silício de diamante."

 

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