一种新型六角形结构硅

卡内基梅隆大学的Thomas Shiell和Timothy Strobel领导的研究小组发明了一种新方法，合成了一种具有六角形结构的新型硅晶体。这种新型结构性能超过如今所使用的普通立方形结构硅，有望用于制造下一代电子和能源设备。此项研究结果发表于Physical Review Letters。

图1 六角形4H-Si结构的仿真图像；背景中为透射电子显微镜图像

硅是地壳中储量第二的元素，在人类生活中发挥着重要作用。硅与其他元素混合在一起，就成了许多建设和基础设施项目必不可少的材料。纯元素形式的硅晶体是计算机的核心元素，美国加州的高科技中心命名为“硅谷”，足以可见硅的重要性。

如同所有元素一样，硅有不同的同素异形体形式，就像柔软的石墨和超高硬度金刚石都是碳的不同形式一样。常用于电脑、太阳能电池板等电子设备中的硅，结构与金刚石相同。尽管这种形式的硅无处不在，但实际上其并不能完全满足高性能晶体管和部分光伏设备等下一代应用的需求。

理论上来说，硅有多种具有增强物理性质的同素异形体。然而由于尚未发现合成途径，目前实际存在的硅同素异形体只有少数几种。

Strobel的实验室之前合成了一种革命性的新型硅——Si24。这种硅晶体具有一组一维通道构成的框架。在此次新发表的研究成果中，基于此前合成的Si24，Shiell和Strobel领导的研究团队通过一个多阶段合成方法，合成了具有高度取向性硅晶体。因其六角形结构中含有四个重复层，这种硅晶体被命名为的4H-硅。

Strobel解释道：“早在20世纪60年代，科学家们就对合成六角形硅产生了兴趣，因为理论上六角形硅的电子性能可控，相比立方硅来说，性能更优。”

此前已有研究人员成功合成过六方硅，但只能通过沉积薄膜或与无序材料共存的纳米晶体形式合成。此次发明的使用Si24合成六方形硅的方法，合成了首个高质量的大块晶体，可作为未来研究活动的基础。

研究团队成员此前开发了一种高级计算工具PALLAS，可预测结构转变路径。借助该工具，研究团队能够理解Si24到4H-Si的转变机制，这种转变就像水在加热时会变成蒸汽、在冻结时会变成冰一样。理解这一结构关系，能够使研究人员将合成过程保持在高度定向性晶体的阶段。

“除了提高了对新结构合成的基本控制能力，大块4h硅晶体的合成同时带来了振奋人心的前景。未来，有望以应变工程和元素取代的方法，来调整材料的光电性质。”Shiell说。“借助这种方法，能通过籽晶生长大量的4H结构，而这种结构的性能有望超过金刚石结构的硅。”