Hình thức mới của silicon có khả năng tạo ra các thiết bị điện tử và năng lượng hiệu suất cao
Một nhóm nghiên cứu do Thomas Shiell và Timothy Strobel của Carnegie dẫn dắt đã phát triển một phương pháp mới để tổng hợp một hình thức tinh thể mới của silicon với một cấu trúc lục giác có tiềm năng được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử và năng lượng thế hệ mới với các tính năng được tăng cường vượt quá những hình thức silicon lập phương thông thường vẫn được sử dụng ngày nay.
Công trình này được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters 1.
Silicon đóng vai trò lớn trong đời sống con người. Nó là nguyên tố nhiều thứ hai trong vỏ trái đất. Khi nó được trộn lẫn với các nguyên tố khác, nó là nguyên liệu thiết yếu của nhiều dự án xây dựng và cơ sở hạ tầng (làm bê tông, gạch…). Và trong hình thức nguyên tố ở dạng nguyên chất, nó là yếu tố vừa đủ và quan trọng cho việc chế tạo các linh kiện điện tử… Trung tâm công nghệ nổi tiếng của Mĩ – Thung lũng Silicon ở California, mang tên Silicon để vinh danh nó.
Giống như tất cả các nguyên tố khác, silicon có thể có nhiều hình thức tinh thể khác nhau, hay còn được gọi là thù hình (allotropes), ví dụ như người ta có thể thấy chì mềm và kim cương có độ cứng rất cao đều là các dạng khác nhau của carbon. Dạng silicon thường được sử dụng nhiều nhất là trong các thiết bị, linh kiện điện tử bao gồm các máy tính và pin mặt trời, có cùng cấu trúc giống kim cương. Bất chấp sự phổ biến của mình, dạng silicon này trên thực tế chưa thực sự tối ưu cho các ứng dụng thế hệ mới, bao gồm các transistor hiệu suất cao và một số linh kiện quang điện.
Dù nhiều thù hình silicon khác nhau với việc tăng cường các tính năng vật lý là có thể về mặt lý thuyết nhưng chỉ có số ít tồn tại trên thực tế do thiếu hiểu biết về các cách tổng hợp.
Phòng thí nghiệm của Strobel trước đây từng phát triển một hình thức mới mang tính cách mạng của silicon là Si24 có một khung mở bao gồm một loạt các kênh một chiều. Trong nghiên cứu mới, Shiell và Strobel cùng các nhà nghiên cứu khác đã sử dụng Si24 như điểm xuất phát trong một cách tổng hợp đa giai đoạn để đạt được các tinh thể có định hướng cao trong một hìn thức là 4H-silicon. Nó được đặt tên như vậy vì có bốn lớp lặp lại trong một cấu trúc lục giác.
“Người ta quan tâm đến silicon lục giác từ những năm 1960 bởi vì khả năng có những đặc tính điện tử có thể điều chỉnh được, vốn làm tăng cường hiệu suất so với hình thức lập phương”, Strobel giải thích.
Các hình thức lục giác của silicon đã từng được tổng hợp trước đây nhưng chỉ thông qua sự kết bám của các màng mỏng hoặc như các tinh thể nano cùng tồn tại với các vật liệu bất thứ tự. Cách làm Si24 mới được chứng minh đó tạo ra những tinh thể chất lượng cao và số lượng lớn là cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
Sử dụng công cụ tính toán tiên tiến mang tên PALLAS, từng được các thành viên của nhóm phát triển trước đây để dự đoán các cách chuyển pha cấu trúc dự đoán – giống như cách nước trở thành hơi nước khi được gia nhiệt hoặc đá lạnh khi trong điều kiện nhiệt độ đóng băng – nhóm nghiên cứu đã có thể hiểu được cơ chế chuyển pha từ Si24 sang 4H-Si, và mối liên hệ về cấu trúc cho phép bảo quản các tinh thể định hướng cao.
“Để mở rộng hơn khả năng kiểm soát cơ bản của chúng tôi trong sự tổng hợp của các cấu trúc mới, khám phá ra việc chế tạo các tinh thể 4H-silicon số lượng lớn mở ra cánh cửa đến với những nghiên cứu thú vị trong tương lai hứa hẹn sẽ đem đến các tính năng điện tử và quang thông qua kỹ thuật biến dạng và thế nguyên tố”, Shiell nói. “Chúng tôi có thể sử dụng phương pháp này để tạo ra các tinh thể giống để phát triển khối lượng cấu trúc lớn 4H với các tính chất về tiềm năng có thể vượt trội so với các silicon kim cương”.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2021-06-silicon-enable-next-gen-electronic-energy.html
——-
1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.215701
