当前位置: 环球解密 > 科学探索 > 能隙只有30 meV的硅,是半导体还是金属?

能隙只有30 meV的硅,是半导体还是金属?

2017年5月16日4:07 环球解密

■硅(Si)是一被广泛运用的材料,从生活必备的手机电脑到太阳能电池皆仰赖硅工业的成熟,虽然人类对于其性质的掌握非常全面,但科学家还是持续探索其他可能性。

硅由硅原子组成。一般使用于半导体工业的硅,结构与钻石相同,硅跟碳同为四族元素,钻石是碳原子以sp3轨域跟另外四个碳连结,硅晶圆也是如此,这样的结构被通称为钻石结构diamond cubic structure (DC-Si)。
原子的排列方式会影响半导体能隙(bandgap),能隙可以说是半导体最重要的性质,其大小决定材料吸收光子与发光的行为。例如,当光子能量大于能隙(光波长短于能隙)时,该光子就有可能被材料吸收。钻石结构的硅能隙为1.12eV,换算成光波长大约为1107nm。可见光波长约在400-700nm,因此太阳光可以被硅吸收转换成电,作为太阳能电池之用。能隙为1.12eV也同时是硅可以被用于光学芯片的原因,一般光通讯使用的光波长为1550nm,光子能量小于硅的能隙,因此不会被吸收,可以在硅做成的光波导内行走。
钻石结构硅的另一个特点是非直接能隙(Indirect bandgap)。非直接能隙影响硅的发光行为。发光的基本机制为电子从高能阶掉到低能阶,发出光子的能量等同于能阶差距,但这个行为必须要直接能隙(Direct Bandgap)的材料才会发生。因此虽然硅的能阶为1.12eV,却无法发出波长1107nm的光,这同时也是光学芯片需要使用三五族材料来发光的原因。
但是,以上都是硅原子以钻石结构组成才有的行为。若是硅原子的排列方式不同,其性质便大不相同。美国卡内基科学研究所(Carnegie Institution for Science) Timothy Strobel教授实验室最近对另一种排列方式的Si-III (或名 BC8-Si)进行研究,发现能隙只有30 meV,且为一直接能隙的材料,研究结果发表于《Physical Review Letters》。
BC8-Si早在1963年即被发现。制备方式是将硅加压并且在某种特定速度下减压,让原子重新排列,至于为什么叫BC8-Si则是跟材料的晶体结构有关,本文将不深入探讨。
过往研究指出BC8-Si具备金属的性质,没有能隙,电子能在材料中自由移动,但Strobel教授对BC8-Si做了完整的性质量测,并进行理论计算后发现,BC8-Si并非没有能隙,而是能隙非常小,只有30 meV。30meV对应到的光波长为41µm,已经进到中红外线(mid-infrared)的范围,能量非常小。但因为是直接能隙,因此未来BC8-Si在红外光波段能派得上用场。
研究团队为了证明BC8-Si是能隙超小的半导体而非金属,也针对其导热性、电阻率及光学性质进行研究,都发现BC8-Si的行为与半导体类似,不具有金属性质。
这项研究也告诉我们,就算是大家熟悉的材料,也会因为排列方式的不同产生完全相反的性质,而硅也不仅只有钻石结构跟BC8-Si,还有其他尚未被深入探讨的型态,那些未知的性质或许能在意想不到的地方有所应用。
论文作者Haidong Zhang表示:“在过去,锗(Ge)被证明为半导体而非当时主流学界相信的金属,这个发现迎来了近代半导体的盛世。而这次我们发现BC8-Si为半导体而非金属可能也会给科学界带来进展。”


(必须)

(必须,保密)

阿狸1 阿狸2 阿狸3 阿狸4 阿狸5 阿狸6 阿狸7 阿狸8 阿狸9 阿狸10 阿狸11 阿狸12 阿狸13 阿狸14 阿狸15 阿狸16 阿狸17 阿狸18

真诚欢迎各科普媒体、机构、专家和网友与我们联系合作! QQ 404-455-307

版权所有,保留一切权利! ©2011-2016 Designed by 环球解密 豫ICP备18040785号-1

sitemap