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　美國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。它結合了如砷化鎵的吸光能力和傳統(tǒng)硅材料的加工優(yōu)勢，可能使太陽能電池和發(fā)光設備發(fā)生徹底變革。目前的合成流程長且昂貴，但研究人員認為這項技術能夠解決這個問題。

通過加熱趕走鈉原子，形成新的正交硅結構©NPG

硅材料是電子工業(yè)的支柱，但是通常的金剛石立方結構同素異形體具有間接帶隙。這意味著電子不能通過吸收或發(fā)射光子的形式在價帶和導帶間來回穿越，它們還需要聲子來節(jié)省動力。這降低了硅材料的吸收和發(fā)射光的效率。硅太陽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。

硅的四面體鍵結構促使其具有多種假想亞穩(wěn)態(tài)結構，其中多個具有比基態(tài)略高的能量。在高壓環(huán)境下，能夠觀察到多個結構，其中四個在環(huán)境條件下是動態(tài)穩(wěn)定的。在2013年，華盛頓卡內基研究的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構。理論計算和實驗表明，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)的開放式框架結構© Duck Young Kim

該材料當前僅生產粉末樣品，其復雜的制造過程顯然限制了它的工業(yè)應用。然而，Strobel樂觀地認為這些困難是可以克服的。他說，現(xiàn)在我們正在重點研究能夠形成優(yōu)良性能單晶材料的方法。一旦我們能夠做到，我們才能真正確認該材料是否能為半導體技術帶來革命性發(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該同素異形體，也能夠生產當前使用金剛石生產的多尺寸外延生長晶體。

美國南佛羅里達大學物理學家George Nolas相信本文的最顯著之處在于它的新合成方法，他說，該方法可能用于其他開放式框架材料結構的合成。美國紐約州立大學石溪分校的電子結構理論學家Artem Oganov同樣稱贊這個制備材料的復雜方法。“現(xiàn)在的問題是：這種材料是否可以打敗硅材料。”他說，“如果不是，那么這是一個很好的嘗試，這些反復嘗試理所應當。如果是，那么我們可以開香檳慶祝了!”