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　美國(guó)的研究人員合成了一種直接帶隙同素異形體的新型硅材料。它結(jié)合了如砷化鎵的吸光能力和傳統(tǒng)硅材料的加工優(yōu)勢(shì)，可能使太陽(yáng)能電池和發(fā)光設(shè)備發(fā)生徹底變革。目前的合成流程長(zhǎng)且昂貴，但研究人員認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)能夠解決這個(gè)問(wèn)題。

通過(guò)加熱趕走鈉原子，形成新的正交硅結(jié)構(gòu)©NPG

硅材料是電子工業(yè)的支柱，但是通常的金剛石立方結(jié)構(gòu)同素異形體具有間接帶隙。這意味著電子不能通過(guò)吸收或發(fā)射光子的形式在價(jià)帶和導(dǎo)帶間來(lái)回穿越，它們還需要聲子來(lái)節(jié)省動(dòng)力。這降低了硅材料的吸收和發(fā)射光的效率。硅太陽(yáng)能電池需要厚的硅晶片以吸收足夠的光，而LED則需要更昂貴的材料，如砷化鎵，有毒且易分解。

硅的四面體鍵結(jié)構(gòu)促使其具有多種假想亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，其中多個(gè)具有比基態(tài)略高的能量。在高壓環(huán)境下，能夠觀察到多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中四個(gè)在環(huán)境條件下是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的。在2013年，華盛頓卡內(nèi)基研究的Timothy Strobel和 他的同事發(fā)現(xiàn)了Na4Si24?，F(xiàn)在，他們發(fā)現(xiàn)，在真空下將Na4Si24加熱至400K，逐漸趕走鈉原子，得到了一種正交同素異形體的新型硅結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)表明，該材料在750K和10GPa下穩(wěn)定存在，并且具有約1.3eV的直接帶隙，是一種理想的光伏電池材料。


新型Si24同素異形體是具有5-, 6- 和8-SP3鍵合硅環(huán)的開放式框架結(jié)構(gòu)© Duck Young Kim

該材料當(dāng)前僅生產(chǎn)粉末樣品，其復(fù)雜的制造過(guò)程顯然限制了它的工業(yè)應(yīng)用。然而，Strobel樂(lè)觀地認(rèn)為這些困難是可以克服的。他說(shuō)，現(xiàn)在我們正在重點(diǎn)研究能夠形成優(yōu)良性能單晶材料的方法。一旦我們能夠做到，我們才能真正確認(rèn)該材料是否能為半導(dǎo)體技術(shù)帶來(lái)革命性發(fā)展。此外，如果我們能夠得到該晶體合理尺寸的基板，我們完全可以在任何高壓下生產(chǎn)該同素異形體，也能夠生產(chǎn)當(dāng)前使用金剛石生產(chǎn)的多尺寸外延生長(zhǎng)晶體。

美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)物理學(xué)家George Nolas相信本文的最顯著之處在于它的新合成方法，他說(shuō)，該方法可能用于其他開放式框架材料結(jié)構(gòu)的合成。美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校的電子結(jié)構(gòu)理論學(xué)家Artem Oganov同樣稱贊這個(gè)制備材料的復(fù)雜方法。“現(xiàn)在的問(wèn)題是：這種材料是否可以打敗硅材料。”他說(shuō)，“如果不是，那么這是一個(gè)很好的嘗試，這些反復(fù)嘗試?yán)硭鶓?yīng)當(dāng)。如果是，那么我們可以開香檳慶祝了!”