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Les scientifiques créent une nouvelle forme cristalline de silicium | La physique

Une équipe de chercheurs de la Carnegie Institution for Science, de l’Université RMIT et de l’Université nationale australienne a synthétisé une nouvelle forme de silicium à structure hexagonale – le silicium hexagonal 4H (4H-Si) – en utilisant un allotrope monocristallin de silicium récemment découvert. , C24.

La structure 4H-Si est visualisée perpendiculairement à l’axe hexagonal. Une micrographie électronique à transmission montrant la séquence d’empilement est montrée en arrière-plan. Crédit image : Thomas Scheele/Timothy Strobel.

silicium peut prendre Différentes formes cristallines, appelées allotropes, de la même manière que le graphite mou et le diamant très 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. Bien qu’omniprésent, ce modèle n’a pas été entièrement optimisé pour les applications de nouvelle génération, notamment les transistors hautes performances et certains dispositifs photovoltaïques.

Alors que de nombreux allotropes différents de silicium avec des propriétés physiques améliorées sont théoriquement possibles, seuls quelques-uns existent dans la pratique en raison du manque de voies de synthèse connues actuellement accessibles.

Institution Carnegie pour les boursiers Timothée Strobel et ses anciens collègues Avancée Une forme révolutionnaire de silicone, Si24, qui a un cadre ouvert constitué d’une série de canaux unidimensionnels.

Dans le nouveau travail, ils ont utilisé Si24 Comme point de départ d’une voie de synthèse en plusieurs étapes qui a abouti à des cristaux hautement orientés de 4H-Si, du nom de ses quatre couches répétitives dans une structure hexagonale.

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“L’intérêt pour le silicium hexagonal remonte aux années 1960, en raison du potentiel de propriétés électroniques accordables, qui pourraient améliorer les performances en dehors de la forme cubique”, a déclaré le Dr Strobel.

Des formes hexagonales de silicium étaient auparavant synthétisées, mais uniquement par dépôt de couches minces ou de nanocristaux coexistant avec des matériaux irréguliers.

Le nouveau C24 Pathway produit les premiers cristaux libres de haute qualité qui serviront de base aux futures activités de recherche.

À l’aide d’un outil informatique avancé appelé PALLAS, les scientifiques ont pu comprendre le mécanisme de transition de Si24 à 4H-Si et la relation structurelle qui permet la conservation de cristaux de produit hautement orientés.

“En plus d’étendre notre contrôle fondamental sur la synthèse de nouvelles structures, la découverte de cristaux de 4H-Si 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 au remplacement d’éléments”, a-t-il déclaré. Dr Thomas Scheele, également de la Carnegie Institution for Science.

“Nous pourrions potentiellement utiliser cette méthode pour créer des germes de cristaux afin de faire croître de grandes quantités de la structure 4H avec des propriétés dépassant potentiellement celles du silicium diamant.”

La recherche est décrite dans papier dans la revue messages d’examen physique.

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Thomas B et d’autres. 2021. Silicium 4H cristallin en vrac à travers une transition allotrope stable. Phys. Révérend Let 126 (21) : 215701 ; doi: 10.1103/PhysRevLett.126.215701

Delphine Perrault

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