Publicado 07/06/2021 10:40CET

Nueva forma cristalina de silicio para avanzar en microeléctronica

Visualización de la estructura de 4H-Si vista perpendicular al eje hexagonal. Una micrografía electrónica de transmisión que muestr
Visualización de la estructura de 4H-Si vista perpendicular al eje hexagonal. Una micrografía electrónica de transmisión que muestr - THOMAS SHIELL Y TIMOTHY STROBEL

   MADRID, 7 Jun. (EUROPA PRESS) -

   Un nuevo método permite sintetizar con propiedades mejoradas una forma cristalina novedosa de silicio con estructura hexagonal para crear dispositivos electrónicos y energéticos de próxima generación.

   La técnica, que supera las capacidades de la forma cúbica 'normal' de silicio utilizada en la actualidad, ha sido descrita en Physical Review Letters por los investigadores de Carnegie Thomas Shiell y Timothy Strobel.

El silicio juega un papel enorme en la vida humana. Es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. Cuando se mezcla con otros elementos, es esencial para muchos proyectos de construcción e infraestructura.

   Como todos los elementos, el silicio puede tomar diferentes formas cristalinas, llamadas alótropos, de la misma manera que el grafito blando y el diamante superduro son ambas formas de carbono. La forma de silicio más comúnmente utilizada en dispositivos electrónicos, incluidas las computadoras y los paneles solares, tiene la misma estructura que el diamante. A pesar de su ubicuidad, esta forma de silicio en realidad no está completamente optimizada para aplicaciones de próxima generación, incluidos transistores de alto rendimiento y algunos dispositivos fotovoltaicos.

   Si bien teóricamente son posibles muchos alótropos de silicio diferentes con propiedades físicas mejoradas, en la práctica solo existen unos pocos dada la falta de vías sintéticas conocidas que sean actualmente accesibles.

   El laboratorio de Strobel había desarrollado previamente una nueva forma revolucionaria de silicio, llamada Si24, que tiene un marco abierto compuesto por una serie de canales unidimensionales. En este nuevo trabajo, Shiell y Strobel dirigieron un equipo que utilizó Si24 como punto de partida en una vía de síntesis de múltiples etapas que resultó en cristales altamente orientados en una forma llamada 4H-silicio, llamado así por sus cuatro capas repetidas en una estructura hexagonal.

   "El interés en el silicio hexagonal se remonta a la década de 1960, debido a la posibilidad de propiedades electrónicas sintonizables, que podrían mejorar el rendimiento más allá de la forma cúbica", explicó Strobel en un comunicado.

   Las formas hexagonales de silicio se han sintetizado previamente, pero solo a través de la deposición de películas delgadas o como nanocristales que coexisten con material desordenado. La vía de Si24 recientemente demostrada produce los primeros cristales a granel de alta calidad que sirven como base para futuras actividades de investigación.

   Usando la herramienta informática avanzada llamada PALLAS, que fue desarrollada previamente por miembros del equipo para predecir las vías de transición estructural, como cómo el agua se convierte en vapor cuando se calienta o en hielo cuando se congela, el grupo pudo comprender el mecanismo de transición de Si24 a 4H-Si, y la relación estructural que permite la conservación de cristales de producto altamente orientados.

   "Además de expandir nuestro control fundamental sobre la síntesis de estructuras novedosas, el descubrimiento de cristales de silicio 4H a granel abre la puerta a emocionantes perspectivas de investigación futuras para ajustar las propiedades ópticas y electrónicas a través de la ingeniería de deformaciones y la sustitución elemental", dijo Shiell. "Podríamos utilizar potencialmente este método para crear cristales semilla para hacer crecer grandes volúmenes de la estructura 4H con propiedades que potencialmente exceden las del silicio de diamante".

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