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 du silicium récemment découvert, le Si24.
Visualisation de la structure de 4H-Si vue perpendiculairement à l’axe hexagonal. Une micrographie électronique à transmission montrant la séquence d’empilement est affichée en arrière-plan. Crédit image : Thomas Shiell / Timothy Strobel.
Le silicium peut prendre différentes formes cristallines, appelées allotropes, de la même manière que le graphite mou et le diamant super 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. Malgré son omniprésence, cette forme n’est pas totalement optimisée pour les applications de la prochaine génération, notamment les transistors à haute performance et certains dispositifs photovoltaïques.
Bien que de nombreux allotropes de silicium aux propriétés physiques améliorées soient théoriquement possibles, seule une poignée d’entre eux existe en pratique, étant donné le manque de voies de synthèse connues et actuellement accessibles.
Timothy Strobel, chercheur à la Carnegie Institution for Science, et ses collègues avaient précédemment mis au point une forme révolutionnaire de silicium, le Si24qui possède une structure ouverte composée 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 permis d’obtenir des cristaux hautement orientés de 4H-Si, ainsi nommé en raison de ses quatre couches répétées dans une structure hexagonale.
“L’intérêt pour le silicium hexagonal remonte aux années 1960, en raison de la possibilité d’accorder les propriétés électroniques, ce qui pourrait améliorer les performances au-delà de la forme cubique”, a déclaré le Dr Strobel.
Des formes hexagonales de silicium ont été synthétisées auparavant, mais uniquement par le dépôt de films minces ou sous forme de nanocristaux coexistant avec un matériau désordonné.
Les nouvelles formes de Si24 produit les premiers cristaux en vrac de haute qualité qui servent de base aux futures activités de recherche.
En utilisant l’outil de calcul avancé appelé PALLAS, les scientifiques ont pu comprendre le mécanisme de transition du Si24 à 4H-Si et la relation structurelle qui permet la préservation des 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 par l’ingénierie de la déformation et la substitution d’éléments”, a déclaré le Dr Thomas Shiell, également de la Carnegie Institution for Science.
“Nous pourrions potentiellement utiliser cette méthode pour créer des cristaux de semence afin de faire croître de grands volumes de la structure 4H avec des propriétés qui dépassent potentiellement celles du silicium diamanté.”
La recherche est décrite dans un article de la revue. Physical Review Letters.
