Ученые разработали новый тип кремния для использования в солнечных элементах и светодиодах

Кремний – второй по распространенности элемент в земной коре, а также основа для многих современных технологий. Он используется в интегральных схемах для электронных устройств и электроприборов, а также присутствует – в составе соединений – в керамике, грудных имплантатах и т.д. А теперь этот вездесущий элемент может быть использован во множестве новых приложений, благодаря разработке командой ученых из университета Карнеги аллотропа с химической формулой Si24.

Алмазно-структурированная форма кремния, которая обычно используется в производстве, имеет одно свойство полупроводника – косвенная запрещенная зона. В отличие от прямой запрещенной зоны, она требует дополнительного шага для возбуждения связанных электронов и перехода их в свободное состояние, например, кванта колебания кристаллической решетки, который называется фононом.

Новый тип кремния представляет собой материал с квази-прямой запрещенной зоной – это означает, что он может не только проводить электричество более эффективно, чем кремний в алмазно-структурированной форме, но и поглощать и излучать свет (это свойство у кремния раньше отсутствовало). Как утверждают исследователи, благодаря этим свойствам, новый материал может стать основой для изготовления солнечных батарей следующего поколения, более энергосберегающих светодиодов и других эффективных полупроводниковых устройств.

Для того, чтобы создать Si24, исследователи сначала сформировали поликристаллическое соединение кремния и натрия (Na4Si24) с помощью капсулы тантала, при очень высокой температуре и давлении 10 ГПа. Это соединение затем «дегазировали» в вакууме при 126 градусах Цельсия в течение восьми дней. В результате они получили чистый кремний Si24, имеющий структуру кристаллической решетки по типу цеолита.

Структура нового типа кремния состоит из пяти-, шести- и восьмичленных кремниевых колец, в которых распространены маленькие атомы и молекулы. Потенциально новый материал может быть использован для аккумулирования электрической энергии и фильтрации в молекулярном масштабе.

Как полагают исследователи, Si24 может стать основой для новых материалов, образующихся при высоком давлении. Более того, стабильность кристаллической структуры нового типа кремния при атмосферном давлении обеспечивает возможность применения методов низкого давления, что является предпосылкой для крупномасштабного производства.